مصدر الطاقة بالسيارة  ووحدة القدرة (تحويل الطاقة)
Vehicle Source of Energy and Power Unit

 

قائمة الموضوعات:
- أنواع وحدات مصدر الطاقة بالسيارة
- تصنيف محركات الاحتراق الداخلي
- الوقود المستخدم في محركات الاحتراق الداخلي
- المواصفات الفنية للمحرك
- استهلاك الوقود
- أنواع وتصنيف المحركات
- الأجزاء الرئيسية للمحرك, وأنظمة تشغيل المحرك

أنواع وحدات مصدر الطاقة بالسيارة:

- موتور كهربائي Electric motor (يعمل بالبطاريات)

- محرك احتراق Combustion engine (يعمل بالوقود)

- مصادر متعددة (السيارات المهجنة), محرك احتراق + موتور كهربائي

 

الموتور الكهربائي Electric motor:

يعمل الموتور الكهربائي عن طريق بطاريات تعطي تيار مستمر هذا التيار يدخل إلى محول لتحويل التيار المستمر إلى متردد. التيار المتردد يتصل بموتور كهربائي 3 فاز متردد التيار.

 

المحرك Engine:

المحرك هو آله تعمل على تحويل الطاقة الموجود في الوقود إلى قوة وحركة.

العودة للقائمة 

تصنيف محركات الاحتراقTypes of combustion engines :

- محرك الاحتراق الخارجي External combustion engine  وفيه يتم حرق الوقود خارج المحرك. كما يظهر بالشكل, محرك البخار يمثل هذا النوع من المحركات. الحرارة المتولدة من حرق الوقود تستخدم لتسخين ماء وتحويله إلى بخار. هذا البخار يمر في أنابيب ليصل إلى اسطوانات المحرك مولدا ضغط يقوم بتشغيل المكابس بالمحرك.

- محرك الاحتراق الداخلييInternal combustion (IC) engine  وفيه يتم حرق الوقود داخل المحرك. محرك السيارات هو محرك احتراق داخلي حيث أن الوقود يتم احتراقه داخل المحرك. المحركات الأخرى (الدوارة, التربينية, ...الخ) هي محركات احتراق داخلي.

 

 

المحركات الحراريةHeat engine  :

المحركات الحرارية تمكن من تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركة من خلال المائع الفعال. المحركات الحرارية تستخدم عدد من الطرق لاستخدام الحرارة لتحويل الضغط والتغيير في الحجم إلى حركة ميكانيكية. إضافة طاقة في شكل حرارة للغاز سوف تزيد من درجة حرارته, ولكن في نفس الوقت قانون الغازات يعني أن ضغط الغاز أو الحجم أو كلاهما سوف يزيد بالتناسب. يمكن إعادة الغاز إلى حالته الأولى عن طريق أخذ تلك الطاقة منه مرة أخرى ولكن ليس بالضرورة في شكل حرارة. التغير في الضغط و/أو الحجم يمكن استخدامهما لعمل شغل عن طريق تحريك معدة ميكانيكية مثل المكبس أو ريشة تربينه. . كلما كان هناك تغيير أكبر في درجة الحرارة, كلما كان هناك طاقة أكبر يمكن استخلاصها من المائع الفعال.

يتم تمثيل المحركات الحرارية في علم الديناميكا الحرارية باستخدام نموذج حراري قياسي يطلق عليه الدورات الحرارية, دورة أوتو.... الخ. المحركات تعني الوسيلة الفعلية, والدورة تعني النموذج النظري.

 

المنحنى البياني للدورة Indicated pv diagram:
يبين المنحنى البياني للضغط والحرارة الإجراءات النظرية التي تتكون منها الدورة (أجراء ثبوت الضغط, ثبوت الحجم, ثبوت الحرارة, عدم انتقال الحرارة). ويمكن حساب كفاءة الدورة من المنحنى البياني للدورة وهو يمثل الحد الأقصى الذي لا يمكن أن يتعداه المحرك الفعلي عند تشغيله.

 

 

المنحني الفعلي لمحركات الاحتراق الداخلي (الإشعال بالشرارة):

معظم محركات الاحتراق الداخلي الحديثة تعمل عن طريق أربعة أشواطْ. بعض أنواع المحركات الأخرى قد يكون لها دورات مختلفة الأشواط.

 

الشوط stroke :

الشوط هو حركة (مشوار) المكبس عند حركته الطولية داخل الأسطوانة في اتجاه واحد. ويتحدد طول الشوط  بمقدار نصف دورة من عمود المرفق. ويمكن أيضا تعريف الشوط بأنه المسافة المقطوعة للمكبس من النقطة الميتة العليا (ن م ع) إلى النقطة الميتة السفلي (ن م س) أو العكس. ويساوي الشوط ضعف المسافة بين محور النهاية الكبرى لذراع التوصيل بعمود المرفق ومحور عمود المرفق (انحناء عمود المرفق).

 

المحركات الترددية Reciprocating piston engine:

يتم تحويل حركة المكابس الترددية إلى حركة دورانية عن طريق عمود المرفق.

 

المحركات رباعية الأشواطFour-stroke engine  :

 

* شوط السحب: يفتح صمام السحب. يتحرك المكبس إلى أسفل, يسحب خليط رذاذ الهواء والبنزين داخل الاسطوانة.

* شوط الانضغاط: يتم غلق صمام السحب. ويتحرك المكبس إلى أعلى ويضغط الشحنة.

* شوط القدرة: يوفر نظام الإشعال شرارة من خلال شمعة الإشعال تشعل الشحنة المضغوطة. عند احتراق الشحنة, يسخن الهواء ويتمدد داخل حيز الاسطوانة المغلق فيتكون ضغط عالي يقوم بالتأثير على سطح المكبس ويدفعه إلى أسفل.

* شوط العادم: يفتح صمام العادم. المكبس يتحرك إلى أعلى, ويدفع غازات العادم إلى خارج الاسطوانة.

 

المحركات ثنائية الأشواطTwo-stroke engines :

المحركات ثنائية الأشواط تتشابه مع محركات السيارات رباعية الأشواط, ولكنها تحتاج إلى لفة واحدة من عمود المرفق لاستكمال الدورة.

المحركات ثنائية الأشواط لا تستخدم في السيارات للأسباب التالية:

- تنتج ملوثات عالية بالعادم

- لها قدرة ضعيفة عند السرعات البطيئة

- تحتاج إلى صيانة أكثر بالنسبة للمحركات رباعية الأشواط

- تحتاج إلى خلط زيت بالوقود

 

 

محرك الغاز التربيني Gas turbine:

محرك الغاز التربيني يستخدم حرق بخار الوقود وتمدده في إدارة ريش مروحة. ريش المروحة متصلة بعمود يمكن استخدامه كعمود خرج للقدرة. محرك الغاز التربيني له كفاءة عالية, أكثر بكثير من المحرك الترددي. يمكن للمحرك حرق أي نوع من الوقود: بنزين, كيروسين, أو ديزل. يمكن لهذا النوع من المحركات إنتاج قدرة عالية بالنسبة للحجم. وحيث أن الحركة دورانية, فإن المحرك يعمل بسلاسة عالية. لا يستخدم المحرك التربيني بالسيارات للتكلفة العالية لتصنيعه.

الوقود المستخدم في محركات الاحتراق الداخلي Internal combustion engines fuel:

الوقود الموجود بباطن الأرض Fossil fuel: وهو الوقود الناتج من مواد عضوية مدفونة في باطن الأرض. وتحولت إلى وقود خلال فترة تعد بملايين السنين. ويحتوي الوقود على نسبة عالية من الكربون, وهي تتضمن الفحم, والبترول Petroleum, الذي ينقسم إلى زيت خام crude oil والغاز الطبيعي natural gas.

 

البنزين Gasoline (gas):

هو سائل ذو كثافة منخفضة , سريع الاشتعال, وسريع التبخر. يستخدم البنزين في محركات الإشعال بالشرارة. ويقيم البنزين برقم الاوكتان Octane rating (number) وهو يدل على مقاومة الوقود للدق. كلما زاد رقم الاوكتان كلما قلة سرعة الاحتراق والعكس صحيح.  رقم الاوكتان المنصوص عليه في المواصفات يكون في حدود من 80 إلى 95 لسيارات الركوب.

* محرك البنزين أو محرك الإشعال بالشرارةgasoline (Petrol) engine or spark ignition (SI) , يتم فيه معايرة الوقود (البنزين) في مجمع السحب قبل دخوله غرفة الاحتراق ثم تقوم شمعة الإشعال بإشعال الوقود.

 

الديزل Diesel:

هو سائل أكثر كثافة من البنزين, ولا يتبخر كالبنزين. ولهذا يحتاج إلى نوعية مختلفة من المحركات ونظام خاص بالوقود, ويستخدم في الشاحنات والقطارات بشكل عام وكذلك في سيارات الركوب نظرا للمعدل العالي لتوفير الوقود.

القيمة الحرارية للديزل أعلى من البنزين في حدود 12%. ويتم تقيم الديزل برقم السيتان, زيادة رقم السيتان يدل على مقدرة الديزل على التقويم على البارد (سرعة الإشعال). رقم السيتان المنصوص عليه في المواصفات يكون في حدود 45.

* محرك الديزل أو محرك الإشعال بالضغط diesel engine or (compression ignition Cl), يتم حقن الوقود (الديزل) داخل غرفة الاحتراق بالمحرك مباشرة, عند يحقن الوقود داخل الاسطوانة يتم إشعاله ذاتيا.

 

الوقود البديل Alternative fuel:

الغاز الطبيعي Natural gas:
 وهو في الغالب يتكون من الميثان. وهو من الوقود البديل النظيف. ويماثل في خواصه وقود البنزين. ويمكن استخدامه في شكل غاز طبيعي مضغوط compressed natural gas (CNG). أو شكل سائل liquefied natural gas (LNG), والذي يستخدم كوقود للسيارات والشاحنات.

* السيارات المصممة للعمل على الغاز الطبيعي Dedicated natural gas vehicles تعمل على الغاز الطبيعي فقط.
* السيارات مزدوجة الوقود dual-fuel or bi-fuel vehicles يمكنها العمل على البنزين أو الديزل بالإضافة إلى الغاز الطبيعي.

الغاز الطبيعي المضغوط Compressed natural gas (CNG) :

وهو مشابه لوقود الغاز البترولي المسال في أوجه عدة. هو مناسب للمحرك ويطيل من العمر التشغيلي للمحرك مع قلة تكلفة الصيانة. وهو أرخص وقود من أنواع الوقود البديلة (عدى الكهرباء) عند مقارنة الطاقة المستخلصة من كمية متساوية من طاقة الوقود. رقم الاوكتان المرتفع للغاز الطبيعي يسمح بزيادة نسبة الانضغاط بالمحركات المستخدمة للغاز وبذلك يزيد من القدرة المتولدة مقارنة بمحراكات البنزين التقليدية.

بروبان Propane- الغاز البترولي المسال liquefied petroleum gas (LPG):

وهو من الوقود النظيف الذي يمكن استخدامه لتشغيل محركات الاحتراق الداخلي. يأتي من نفس مصادر الغاز الطبيعي المضغوط.

بيو ديزل (الديزل الحيوي) Biodiesel:

وهو يستخلص من الزيوت النباتية vegetable oils والدهون الحيوانية animal fats. وهو في العادة ينتج ملوثات أقل من الوقود ذو الأساس المعدني (البترول). الخليط المكون من نسبة ضئيلة من تلك الزيوت ووقود الديزل البترولي low-level biodiesel blends, ينتج وقود يمكن استخدمه بدون مشاكل مع محركات الديزل التقليدية. الخليط مثل بي2 “B2” (2% زيوت نباتيه و 98% ديزل) و بي5 “B5” أصبحوا الآن أكثر استخدام لمحركات الديزل للمييزات العالية للخليط.  

الميثانول Methanol:

وهو وقود كحولي مستخلص من الفحم, و في الغالب يستخرج من الغاز الطبيعي. وقود الميثانول يباع كخليط مع البنزين بنسبة 85% ميثانول و 15% بنزين ويطلق عليه وقود أم85 “M85”.

ايثانول Ethanol:

ويستخلص من الذرة والمحاصيل الأخرى, ويتميز بقلة الغازات المسببة للإنحباس الحراري greenhouse gas emissions بالنسبة للوقود التقليدي. وخلط نسبة من الإيثانول مع البنزين بنسبة 85% إيثانول و15% بنزين يعطي الوقود الذي يطلق عليه وقود أي85 “E85”.

* المشاكل المصاحبة لاستخدام الإيثانول بمفردة والتي تؤدي إلى تكون بخار في خط أنابيب الوقود نتيجة الحرارة (الحبس البخاري vapor lock), أو صعوبة التشغيل على البارد cold starts, وكذلك مشكلة عدم مشاهدة اللهب flam visibility, أدت إلى الحاجة لعمل الخلط بالنسب القياسية 85% كحول و15% بنزين كما في الميثانول.

الهيدروجين Hydrogen:

هو أخف الغازات وزنا, ويشكل 75% من كتلة المواد الموجودة بالكون. الهيدروجين ليس موجود بصورة منفصلة في الطبيعة ولكنه موجود بصورة مركبة, يمكن الحصول عليه عن طريق استخلاصه من الغاز الطبيعي أو من أنواع الوقود الأخرى, أو باستخدام الكهرباء لتحليل الماء إلى أوكسجين وهيدروجين. يستخدم الهيدروجين في تشغيل السيارات بطريقتين مختلفتين. يمكن حرق الهيدروجين في محركات الاحتراق الداخلي أو يمكن استخدامه بإتحاده مع الأوكسجين في خلايا الوقود fuel cell. ولا يعتبر الهيدروجين وقود مناسب لمحركات الاحتراق الداخلي حيث أنه أكثر عرضه لمشكلة سبق الإشعال, الطريقة المثلى والأكثر كفاءة هي استخدام الهيدروجين خلال خلايا الوقود.

الكهرباء Electricity:
والتي يمكن وهي يمكن الحصول عليها بالعديد من الطرق, عن طريق احتراق الفحم المحتوي على نسبة عالية من الكبريت, أو عن طريق محطات توليد الطاقة (المحركات أو الطاقة النووية), أو بواسطة  طرق تولد الطاقة النظيفة بدون انبعاثات التلوث (الخلايا الضوئية) أو الخلايا الشمسية, أو طاقة الرياح, أو الطاقة المتولدة من المساقط المائية. وتنقسم السيارات الكهربائية بالتي تعمل بالبطاريات (تشحن عن طريق التوصيل بمصدر الكهرباء , والتي تعتمد على الكهرباء المتولدة عن طريق مصدر خارجي لشحن البطاريات plug-in vehicles و السيارات المهجنة Hybrid التي تعتمد على مصدر طاقة محمل بالسيارة يقوم بشحن البطاريات. السيارة المهجنة مصممة على أن تعمل بأي نوع من الوقود, مثل البنزين أو الديزل بالإضافة إلى الأنواع المختلفة من الوقود البديل.

 

* السيارات ثنائية الوقود Bi-fuel vehicles:

وهي التي يخزن فيها نوعين من الوقود في خزانين منفصلين بالسيارة ويشغل المحرك عن طريق استخدام واحد من الوقودين بمفرده. هذا يتم عن طريق مفتاح يتحكم فيه يدويا أو عن طريق حساس يختار الوقود المناسب للأداء الأفضل حسب ظروف التشغيل.

 

* السيارات المرنة الوقود Flexible-fuel vehicle (FFV):

وهي التي تعمل بالوقود البديل مع محرك احتراق داخلي مصمم ليعمل على أكثر من وقود واحد, في الغالب بنزين مخلوط أما بوقود الإيثانول أو الميثانول, ويخزن النوعين في خزان مشترك واحد. محركات مرنة الوقود قادرة على العمل بأي نسبة خليط متكونة داخل الخزان, حيث أن توقيت حقن الوقود وتوقيت الإشعال يتم ضبطهما ذاتيا حسب الخليط الفعلي الذي يتم التعرف عليه عن طريق حساسات إليكترونية.

العودة للقائمة   

المواصفات الفنية للمحرك:

 

حجم الإزاحة (سعة) للمحرك
Engine swept volume (engine displacement, engine capacity):

هو الحجم المزاح عن طريق جميع المكابس داخل الاسطوانات لمحرك الاحتراق الداخلي خلال (شوط) من النقطة الميتة العليا إلى النقطة الميتة السفلي. وهو في العادة يحدد بالسنتيمتر المكعب cubic centimeter (cc), أو اللتر, أو (خاصة بأمريكا الشمالية) البوصة المربعة cubic inches displacement (CID). أزاحة المحرك لا تشمل الحجم الأجمالي لغرف الاحتراق.

 

الأزاحة = مساحة الاسطوانة × طول الشوط × عدد الاسطوانات

where:

D = Cylinder bore diameterقطر الاسطوانة  

L = Stroke طول الشوط

V_e = Engine swept volume -in liters or cubic centimeters (liter, or cm³ (cc))

          حجم الإزاحة للمحرك باللتر أو السنتيمتر المكعب       
V_s = Cylinder swept volumeحجم الإزاحة للاسطوانة   

n = number of cylinders عدد الاسطوانات

 

المحركات متغيرة السعة  Variable displacement engine:

هي تقنية خاصة بمحركات السيارات والتي تسمح بتغير إزاحة المحرك, وذلك لتحسين اقتصاد الوقود, عادة ما تكون عن طريق تبطيل (عدم تشغيل) الاسطوانات cylinder deactivation. هذه التقنية تستخدم أساسا في المحركات الكبيرة متعددة الاسطوانات. هذه التقنية تسمح بزيادة كفاءة استهلاك الوقود دون التضحية بالقدرة القصوى للمحرك, السائق يمكنه الحصول على الجر والتحميل المطلوب عند الحاجة إليه, ولكن يمكنه أيضا الحصول على اقتصاد وقود مماثل للمحركات الصغيرة, عندما لا تكون السيارة عند الحمل الكامل.

وحيث أن السائق في الأحمال الخفيفة يستخدم فقط 30% من القيمة القصوى للسيارة, وفي هذه الحالة يكون صمام الخانق تقريبا مغلق. وهذا يسبب تدني الكفاءة وتعرف تلك الظاهرة باسم الفقد في الضخ (التدفق) pumping loss. وتعمل هذه التقنية على تلافي تلك المشاكل بحيث يقل استهلاك الوقود بمقدار من 8 إلى 25% على الطرق السريعة.

يتم تبطيل عمل الاسطوانات عن طريق إبقاء صمامي السحب والعادم مغلقين, في هذه الحالة يتكون داخل تلك الاسطوانات نابض هوائي من الغازات المحصورة داخل الاسطوانة, هذا يساعد على عمل الاتزان المطلوب لعمود المرفق عند تبطيل الاسطوانات دون إضافة أحمال إلى المحرك.

في الأنظمة الأكثر حداثة فإن نظام التحكم في المحرك يقوم كذلك بقطع الحقن عن الاسطوانات المبطلة. كما إنه يعمل على تغيير توقيت الشرارة وتوقيت الصمامات وفتحة الخانق لتسهيل عمل المحرك خلال الفترة الانتقالية بين تبطيل وتفعيل الاسطوانات. كما يتم تبطيل الاسطوانات بشكل متبادل وبسرعة عالية للحفاظ على اتزان المحرك.

هناك العديد من التسميات لهذا النظام مثل التحكم في الاسطوانات المتغيرة Variable Cylinder Management (VCM), النظام متعدد الإزاحة Multi-Displacement System (MDS) لشركة كريسلر, ونظام السعة عند الحاجة   Displacement on Demand (DOD) لشركة جنرال موتور, التحكم الفعال في الاسطوانة Active Cylinder Control (ACC) لشركة ديملر كريسلر, ونظام تعديل الإزاحة Modulated Displacement (MD) لشركة ماتسوبيشي.

هناك أبحاث لتطوير النظام عن طريق تغيير الإزاحة الفعلية للمحرك عن طريق زيادة أو تقليل طول الشوط.

 

نسبة الجوف (القطر)/الشوط Bore/stroke ratio:

في المحركات الترددية, تعرف بأي من نسبة القطر/الشوط(B/S)  أو بنسبة الشوط/القطر(S/B), وهي الصيغة التي تصف النسبة بين طول القطر وطول الشوط بالنسبة للاسطوانة.

 

المحرك المربع, أقل من المربع, أكبر من المربع Square, under-square and over-square engines

- يوصف المحرك بأنه محرك مربع  square engine عندما يكون المحرك له طول قطر مساوي للشوط, أي أن نسبة القطر إلى الشوط تساوي 1:1 بالضبط.

- يوصف المحرك بأنه محرك أكبر من مربع oversquare أو قصير الشوط short-stroke في حالة أن اسطوانة المحرك لها قطر أكبر من طول الشوط بحيث تكون نسبة القطر إلى الشوط أكبر من 1:1. هذا التصميم يقلل العزم ولكن يسمح للمحرك بأن يعمل عند سرعات عالية وأن يولد قدرة قصوى عالية. وهذا هو التصميم الأكثر شيوعا لمحركات السيارات.

- يوصف المحرك بأنه أقل من المربع undersquare أو طويل الشوط long-stroke في حالة أن له قطر أصغر من طول الشوط بحيث تكون نسبة القطر إلى الشوط أصغر من 1:1. هذا التصميم يزيد من مشوار المكبس وعزم المحرك, ولكن قد يقلل من القيمة القصوى للسرعة الآمنه. هذا التصميم هو الأكثر شيوعا في للمحركات الصناعية الكبيرة ومحركات الجرارات.

نسبة ذراع التوصيل إلى الشوط Rod/stroke ratio:

تحدد نسبة ذراع التوصيل إلى الشوط بقسمة طول ذراع التوصيل وهي المسافة من مركز النهاية الكبرى إلى مركز النهاية الصغرى على طول الشوط. تكون تلك النسبة في حدود 1:1.5 إلى 1:1.8 للسيارات. تؤثر تلك النسبة على ديناميكية المحرك, مثل سرعة المكبس والتعجيل, وفترة سكون المكبس عند النقطة الميتة العليا والسفلى, والحمل الجانبي على المكبس, الحمل على الاسطوانة وعلى المحامل. بعض هذه العناصر تؤثر في دخول الشحنة والاحتراق و التآكل.

عموما, النسبة المنخفضة تعني زاوية كبيرة لذراع التوصيل, وهذه تؤدي إلى مصدر لتأكل سريع في جدران الاسطوانة, والمكبس وحلقات المكبس. في حالة النسبة المنخفضة بشكل كبير قد تؤدي إلى خروج المكبس من جدران الاسطوانة نتيجة الزاوية الكبيرة للذراع.

النسبة العالية, تؤدي إلى عدم ملء الهواء فتحة السحب بنفس السرعة وهذا قد يؤدي إلى ضعف سريان الهواء عند السرعات البطيئة وضعف العزم.

نسبة الانضغاط Compression ratio (CR):

نسبة الانضغاط لمحرك الاحتراق الداخلي هي القيمة التي تمثل النسبة بين حجم غرفة الاحتراق عند أقصى سعة إلى أدني سعة. في المحركات ذات المكبس الترددية فهي النسبة بين حجم غرفة الاحتراق عندما يكون االمكبس في أسفل الشوط  (ن م س) إلى الحجم لغرفة الاحتراق عندما يكون المكبس عند أعلى نقطة للشوط (ن م ع). النسبة بين الحجم قبل وبعد الانضغاط تسمى نسبة الانضغاط:

 

 

where:

r = compression ratio نسبة الانضغاط
V_s = Swept volume (cylinder volume), الحجم المزاح (حجم الاسطوانة)
V_c = clearance volume  حجم الخلوص 

خلال تلك العملية يزداد الضغط ودرجة حرارة الغاز, نسبة الانضغاط  والضغط الإجمالي لهما علاقة متبادلة كالتالي:

* وتعرف نسبة الانضغاط بأنها الضغط عند النقطة الميتة العليا إلى الضغط عند النقطة الميتة السفلى

pressure ratio = p_TDC /p_BDC .

القيم الفعلية لنسب الانضغاط: 
محركات الإشعال بالشرارة, محركات البنزين: نسبة الانضغاط في محركات البنزين تكون في الغالب في حدود 1:11. الحد الأقصى لنسبة الانضغاط يكون بسبب مشاكل الاحتراق, الصفع. للتغلب على هذه المشكلة في المحركات ذات نسبة الانضغاط المرتفعة يستخدم بنزين له رقم أوكتان مرتفع.
المحركات التي بها حساس صفع 'ping' or 'knock' sensor ووحدة تحكم الإليكترونية يمكن أن ترفع نسبة الانضغاط بها إلى 1:13.
المحركات التي بها شاحن جبري تصمم نسبة الانضغاط بها 9.32: 1 أو أقل.  
المحركات التي تعمل على وقود الميثانول والإيثانول يمكن أن تكون لها نسبة انضغاط مرتفعة عن محركات البنزين. محركات السباق التي تستخدم وقود الميثانول والإيثانول تتعدى نسبة الانضغاط بها 1:15.
المحركات التي تعمل فقط على الغاز المسال LPG أو الغاز المضغوط CNG نسبة الانضغاط قد تكون أعلى, وذلك بسبب رقم الاوكتان المرتفع لهذه النوعية من الوقود.
محركات الإشعال بالضغط, محركات الديزل:
في محركات الديزل للسيارات تكون نسبة الانضغاط المعتادة 22: 1. نسبة الانضغاط المناسبة تعتمد على تصميم غرفة الاحتراق. وغالبا ما تكون النسبة بين 14: 1 و 16: 1 للمحركات الحقن المباشر وبين 18: 1 و 23: 1 لمحركات الحقن غير المباشر.
عموما, نسبة الانضغاط العالية تؤدي إلى زيادة القدرة وتحسن اقتصاديات الوقود, ولكنها في نفس الوقت تزيد من مستوى انبعاث أكاسيد النيتروجين (NOx) الضارة.

المحركات متغيرة نسبة الانضغاط Variable compression ratio (VCR) engines:
المحركات متغيرة نسبة الانضغاط يمكن تعمل عند نسب انضغاط مختلفة, حسب احتياجات ظروف التشغيل المطلوبة. ويمكن تعديلها لتناسب الحالات المختلفة للتشغيل مثل التعجيل, السرعة, والحمل. في المستويات المنخفضة للقدرة, تشتغل تلك المحركات عند نسبة انضغاط عالية, للاستفادة من الكفاءة العالية للوقود بدون حدوث متاعب في الاحتراق. وفي المستويات العالية للقدرة, تشغل تلك المحركات عند نسبة انضغاط منخفضة لمنع حدوث الصفع, أي يتم زيادة نسبة الانضغاط عند الأحمال الجزئية وتقليلها عند الأحمال العالية.  
يمكن تغيير نسبة الانضغاط  في تلك المحركات بعدة وسائل مختلفة منها تغيير حيز غرفة الاحتراق, أو تعديل ارتفاع رأس المكبس, أو تعديل طول الشوط. 

تجهيز خليط الوقود والهواء fuel air mixture:
يحتاج الخليط للتجهيز قبل الاحتراق, هذا التجهيز يتطلب خلط النسبة الصحيحة من الهواء والوقود, تذرير الوقود Fuel atomization, جعل الوقود على شكل قطرات صغيرة حتى يضمن الخلط الجيد للهواء والوقود يتم ذلك لمحركات البنزين عن طريق المغذي أو عن طريق نظام الحقن.
نسبة الهواء للوقود Air-fuel ratio (AF ratio):
تكون النسبة الصحيحة لنسبة الهواء إلى الوقود والتي يطلق عليها النسبة الصحيحة stoichiometric mixture. هذه النسبة هي النسبة المثالية وتساوي 14.7: 1(14.7 جزء هواء إلى 1 جزء وقود بالوزن). في حالة العادية للمحرك, هذه النسبة عند اختلاط كل الوقود مع الهواء تضمن احتراق كامل للخليط.
محركات البنزين لها نسبة هواء/وقود ما بين 18: 1 عند الحمل الخالي إلى 12: 1 عند الحمل الكامل.
خليط الوقود الضعيف lean fuel mixture: يحتوي على هواء كثير بالمقارنة بالوقود, والتي تعطي اقتصاد وقود أحسن وأقل أنبعاثات عادم (17 :1).
خليط الوقود الغني rich fuel mixture: هذا الخليط به نسبة أعلى من الوقود لتحسين قدرة المحرك والتشغيل على البارد (8: 1). ولكن هذه النسبة تزيد من الانبعاثات ومعدل استهلاك الوقود.

* حيث أن كثافة البنزين = 737.22 كج/م³, كثافة الهواء (عند 20^o مئوية) = 1.2كجم/ م³
فإن النسبة 14.7: 1 بالوزن تساوي 14.7/1.2 : 1/737.22 = 12.25 : 0.0013564
وعليه تكون النسبة هي 9030 : 1 بالحجم ( واحد لتر بنزين يحتاج إلى 9.03 م³ من الهواء  ليكون هناك احتراق كامل).

(محركات الديزل)
تكون نسبة الهواء للوقود لمحركات الديزل في حدود 100 : 1 (100 جزء هواء و1 جزء وقود بالوزن) عند سرعة الحمل الخالي , 20: 1 عند الحمل الكامل.

الكفاءة الحجمية للمحرك (كفاءة الامتلاء)  Volumetric efficiency VE (h_v):
وهي تستخدم للمحركات رباعية الأشواط, التي لها شوط سحب واضح ومميز.

 

الكفاءة الحجمية = حجم الهواء الداخل إلى الاسطوانة / أقصى حجم ممكن للاسطوانة

 

* الكفاءة الحجمية تعتمد على فتحة الخانق وسرعة المحرك بالإضافة إلى شكل نظام السحب والعادم, وفتحة الدخول والخروج وتوقيت الصمامات وزمن الفتح.

 

الكفاءة الحجمية للمحركات الغير مشحنة للسيارات تكون في حدود 85-90% عند السرعات المحددة. وتكون الكفاءة الحجمية المحركات المشحنة أزيد من 100%.

 

 

العوامل التي تؤثر في الكفاءة الحجمية:

 تتأثر الكفاءة الحجمية  بنوع الوقود, نسبة الهواء للوقود, درجة حرارة الخليط, نسبة الانضغاط, سرعة المحرك, تصميم نظام السحب والعادم, نسبة ضغط العادم وضغط السحب.

 

الطرق المختلفة لزيادة الكفاءة الحجمية : Methods to increase the volumetric efficiency (VE)

* استخدام صمامات أكبر أو زيادة عدد الصمامات.

* جعل مداخل السحب والعادم أكثر أنسيابيه.

* ضبط توقيت صمامات السحب والاستفادة من التردد الطبيعي في نظام العادم للمساعدة في دفع الهواء داخل وخارج الاسطوانات.

 * استخدام نظام التوقيت المتغير للصمامات (VVT, VVT-i, VVT-iE), عند السرعات العالية يحتاج المحرك أن تفتح الصمامات بنسبة أكبر من وقت الدورة للسماح للشحنة للدخول والخروج من المحرك.

* استخدام نظام تغيير توقيت الصمامات ومقدار الفتحة (VVTL, VVTL-i), هو نظام يغير مقدار ومدة الفتح بالإضافة إلى تغيير التوقيت. 

* استخدام نظام التوقيت الثنائي لكلا من صمامات السحب والعادم (Dual VVT).

* استخدام الشحن الجبري للمحرك supercharger or turbocharger.

 

توقيت الصمامات Valve Timing:

يقصد بتوقيت الصمامات هو توقيت فتح وغلق الصمامات, ويقاس توقيت الصمامات بالدرجات بالنسبة لعمود المرفق. ويتحكم عمود الكامات الذي يأخذ حركته من عمود المرفق في فتح وغلق الصمامات. تقوم الكامة بفتح الصمام بمقدار معين (مسافة الفتح)  lift لفترة زمنية duration. تصميم شكل الكامة ووضعها على عمود الكامة يؤثر في توقيت ومقدار والمدة الزمنية لفتح الصمام. ويتأثر توقيت الصمامات بضبط عمود الكامات وبخلوص الصمامات.

يختلف توقيت الصمامات من محرك لأخر حسب التصميم الخاص بالمحرك. ويبين الشكل توقيت فتح وغلق الصمامات بالنسبة لزوايا عمود المرفق لأحد المحركات رباعية الأشواط.

يفتح صمام السحب في نهاية شوط العادم قبل وصول المكبس للنقطة الميتة العليا (12^o), ويظل مفتوح حتى بداية شوط الانضغاط بعد وصول المكبس للنقطة الميتة السفلي (56^o), مع أن المكبس يكون في حركة لأعلى ولكن تدفق الشحنة يكون مستمر بالقصور الذاتي مما يزيد من شحن الاسطوانة. وتكون مدة الفتح لصمام السحب (12+180+ 56= 248 درجة لعمود المرفق).

يفتح صمام العادم في نهاية شوط القدرة قبل وصول المكبس للنقطة الميتة السفلي (47^o) وعندها يكون ضغط الغازات قليل ولا يمكن الاستفادة منه ولإعطاء الوقت لخروج غازات العادم, ويظل مفتوح حتى بداية شوط السحب بعد وصول المكبس للنقطة الميتة العليا (21^o). وتكون مدة الفتح لصمام العادم (47+180+21 = 248 درجة لعمود المرفق).

صمام العادم والسحب يكونا مفتوحين معا في نهاية شوط العادم وبداية شوط السحب ويطلق عليه تداخل (تراكب) overlap (33^o). والذي يساعد على جودة الكسح للتخلص من غازات العادم.

 

 

 

المنحنيات البيانية للمحرك Engine indicator diagrams:

يمكن تمثيل الضغط داخل المحرك مع الحجم بما يسمى مخطط الضغط والحجم pV diagram  وتمثل المساحة المحصورة داخل المنحنى بمقدار الشغل للدورة. ويمثل منحنى الضغط وزوايا عمود المرفق pCR منحنى الضغط داخل الاسطوانة عند زوايا عمود المرفق المختلفة. كما يبين الشكل.

 

 

الضغط المتوسط الفعال البياني Indicated mean effective pressure (imep) or (IMEP):

الضغط المتوسط الفعال البياني له علاقة بعمل محرك الاحتراق الداخلي, وهو مقياس هام لقدرة المحرك على أداء الشغل ولا تتأثر قيمته بسعة المحرك. وهو عبارة عن متوسط الضغط خلال دورة واحدة.

* القيمة القصوى للضغط المتوسط البياني لمحركات البنزين غير المشحنة تكون ما بين 896 و 1103.6 كيلو نيوتن/المتر المربع.

 

القدرة البيانية Indicated power (P_i):

هذه القدرة هي التي مقدر لها أن تصل إلى عمود المرفق في حالة أن الكفاءة الميكانيكية تكون 100%. مصطلح "البيانية" يعني أن تلك القدرة يتم حسابها من المنحنى البياني.

 

القوة المتوسطة (F) التي تؤثر على المكبس في اللفة الواحدة = الضغط(p)  × المساحة (A)

7.

F = p . A (N or kN)

الشغل (W) لكل لفة = القوة (F)× طول الشوط (L)

 

W = F . L (N m or J, kN m, kJ)

 

 

القدرة (P) الشغل في الثانية = الشغل  (W)÷ الزمن (t)  

P = W/t (J/sec, or W)

 

Where:

imep = average or indicated mean effective pressure (N/m²) or kN/m²

         الضغط المتوسط البياني الفعال =

A = area of the piston crown (m²) =  مساحة المكبس   

n = number of engine cylinders =عدد الاسطوانات

L = piston or engine stroke (m) =  طول الشوط

N= number of engine revolution per minute per cylinder = سرعة دوران المحرك

L A n = total swept volume of engine, or engine capacity (m³) = سعة المحرك

P_i = indicated power (N m/s or W) = القدرة البيانية

V_e = engine capacity (m³) = سعة المحرك

k = number of revolution per cycle = عدد اللفات بكل دورة

                (for a 4-stroke engine k=2, for a 2-stroke engine k=1)

              = 2 للمحرك الرباعي = 1 للمحرك الثنائي

 

 

القدرة الفرملية للمحرك Engine brake power (P_b):

القدرة الفرملية هي قدرة المحرك المقاسة عند خرج عمود المرفق عند سرعات دوران محددة لعمود المرفق. ويتم الحصول على قيمة القدرة الفرملية عن طريق استخدام جهاز قياس القدرة (ديناموميتر (engine dynamometer عند فتحة خانق كاملة للمحرك. تعبير القدرة الفرملية نابع من أن طريقة قياس قدرة المحرك في الأيام الأولي لتصميم المحركات كانت تتم عن طريق استخدام جهاز قياس فرملي brake dynamometer.  ولا تبين قيمة القدرة الفرملية أن كانت القدرة الفرملية المقاسة هي قدرة صافية net أو قدرة أجمالية gross. وتختلف قيم القدرة الصافية عن القدرة الإجمالية بسبب الطريقة المتبعة في القياس.

عند اختبار المحرك تقاس قدرة المحرك في العادة بدون المحلقات المتصلة به مثل مروحة التبريد, ومضخة التبريد, والردياتير, والدينامو, ووحدة القابض ويكون المحرك موصل بنظام تصريف سريع للعادم. ولهذا يكون مقدار القدرة أعلى بمقدار من 10- 15% وهو ما يطلق عليه القدرة الإجمالية gross power بالمقارنة بالقيم التي يتم الحصول عليها عند قياس قدرة المحرك الفعلية بجميع الملحقات متصلة به والتي تمثل قدرة الناتجة من المحرك بالسيارة ويطلق عليها القدرة الصافية net power.

* في اوربا يستخدم التقييم DIN rating وهو يقضي بقياس أداء المحرك ومركب عليه جميع المحلقات بحيث يعطي ذلك القدرة الصافية.

* في أمريكا يستخدم التقييم SAE rating والذي يؤدي إلى قياس القدرة الإجمالية.
القدرة الأجمالية أعلى من القدرة الصافية بمقدار القدرة اللازمة لتشغيل ملحقات المحرك.

 

ويبين الشكل التالي العزم والقدرة المقاسة للمحرك بالملحقات وبدون الملحقات, ليعطي كلا من قيم العزم والقدرة الصافية وقيم العزم والقدرة الأجمالية بالترتيب.

 

* بمقارنة قدرة محركات الديزل بمحركات البنزين المساوية لها في السعة نجد أن قدرة محرك الديزل تكون أقل قدرة من محرك البنزين وذلك بسبب أن سرعة التشغيل لمحركات الديزل تكون أقل بكثير من محركات البنزين نتيجة زيادة أبعاد وكتلة أجزاء محرك الديزل لتتحمل الضغوط العالية.

 

* بمقارنة قدرة محركات البنزين بموتور الكهرباء, عند الحاجة لتركيب أما محرك بنزين أو موتور كهربائي في سيارة معينة نجد أن قدرة محركات البنزين يجب أن تكون أعلى من قدرة موتور الكهرباء حيث أن محركات البنزين تعمل بكفاءة منخفضة, وأن السيارات المركب بها محرك بنزين تحتاج إلى استخدام قدرة أعلى خلال التعجيل عند مستوى السرعات المنخفضة low-end acceleration عند السرعات من صفر إلى 60 كم/ساعة. هذا التعجيل يمكن الحصول عليه بكفاءة عالية باستخدام موتور كهربائي.

 

عزم المحرك Engine torque:

عزم الدوران Torque (T), يساوي القوة مضروبة في ذراع الدوران, وعليه يعتمد العزم على العوامل التالية: الضغط المتولد داخل الاسطوانات, ومساحة سطح المكبس التي يؤثر عليها الضغط المتوسط الفرملي, (بحيث تمثل القوة حاصل ضرب الضغط في المساحة), ونصف القطر الفعال لذراع عمود المرفق. ويقاس عزم المحرك بوحدة نيوتن متر N m.

 

ويمكن حساب العزم من المعادلة العامة للشغل الميكانيكي كالتالي:

T . θ = F . s (J)

حيث أن

F = force (N)  القوة

T = torque (N m)  العزم

s = distance (m) المسافة تأثير القوة  

θ = angle (rad)زاوية تأثير العزم

كما في الإثبات التالي بالنسبة للعزم وزاوية العزم:

 

 

 

أو كما يبين الشكل عند استخدام قوة مماسية F (N) خلال زاوية θ, عند عمل عزم خلال زاوية, فإن المسافة التي تقطعها القوة xy ستساوي r θ  حيث أن θ هي الزاوية التي سوف يقطعها عمود المرفق بالتقدير الدائري.

 

torque = force . radius = F. r القوة × نصف القطر =

work done = F . distance xy = F . r θ  = T . θ  الشغل = العزم × الزاوية =

 

 

وبتطبيق المعادلة على الشغل الميكانيكي للمحرك فيكون الشغل المبذول خلال شوط واحد هو مقدار العزم مضروب في زاوية عمود المرفق للشوط 180^o (π) وبذلك تصبح معادلة الشغل خلال شوط  القدرة كالتالي:

 

الشغل الميكانيكي خلال شوط القدرة

T . π = F . L

 

حيث L هو طول الشوط, وبذلك يكون مقدار العزم الناتج من اسطوانة واحدة يساوي

 

T_s = (F× L) / π ……………………………………………..(1)

 

    = (bmep . A) × L) / π = bmep . (A × L) / π = bmep . (V_s) / π 

 

ويكون مقدار العزم الناتج من المحرك T_e يساوي مجموع العزوم الناتجة من جميع اسطوانات المحرك:

 

T_e = n T_s = n (bmep . (V_s) / π) =   (bmep . (n . V_s) / π)

 

T_e = bmep . (V_e) / π  ……………………………………….(2) 

 

ومن معادلة (2) نجد أن قيمة العزم المتولد يتأثر بكلا من سعة المحرك والضغط المتوسط الفعال الفرملي. مضاعفة سعة المحرك سوف تضاعف تقريبا من عزم المحرك.

 

من معادلة (1) نجد

 

T_s = F× (L / π) = F× (2r / π) = F× (2r / π) = F× R  = )bmep . A( × R  …….. (3)

حيث:

r = L/2 = crankshaft journal offset (crank radius (throw)) نصف قطر المرفق

 

R = 2r / π = الذراع الفعال (المتوسط)  للعزم

 

 

 

العلاقة بين عزم وقدرة المحرك Relation between engine torque and power :

القدرة هي معدل بذل الشغل

Power (P_b) = W/t = (T θ)/t = T  θ/t = T ω = العزم × السرعة الزاوية

 

                 = T (2π N/ 60)

Where:

P_b = engine brake power (W) = (وات)  القدرة الفرملية

T = engine torque (N m) = عزم المحرك (نيوتن متر)

N = engine speed (rpm) = سرعة دوران المحرك (لفة/دقيقة)

 

الضغط المتوسط الفعال الفرملي Brake mean effective pressure (BMEP):

هو مقياس فعال لمقارنة أداء المحركات مع بعضها البعض. الضغط المتوسط الفعال الفرملي هو مقياس نظري ولا يرتبط بأي شكل بالضغط الفعلي داخل الاسطوانة. هو ببساطة أداة فعالة لمقارنة أداء المحركات وأن أختلف التصميم والسعة. ويتناسب الضغط المتوسط الفعال الفرملي مع الضغط المتوسط الفعال البياني. ويحسب الضغط المتوسط الفعال الفرملي من القدرة الفرملية, وهو أقل من الضغط المتوسط الفعال البياني بمقدار الضغط المطلوب للتغلب على الاحتكاك بالمحرك والفقد في التدفق.

يعرف الضغط المتوسط الفعال الفرملي بأنه الضغط الذي إذا أثر على المكابس بشكل متساوي من النقطة الميتة العليا إلى النقطة الميتة السفلى أدنى خلال شوط قدرة, فإنه سوف يؤدي إلى خرج القدرة الفرملية المقاسة.  من معادلة القدرة نجد أن

 

P_b = bmep x A x L x n x N/(60 x k) = bmep x V_e x N/(60 x k)

 

ومن العلاقة بين القدرة والعزم يمكن أيجاد العلاقة بين الضغط المتوسط الفعال الفرملي والعزم

حيث

P_b = Tω =T . 2pN/60

إذا

T= P_b . 60/(2p N)

 

   = bmep . V_e N_e/(60 x k) . 60/(2p N_e)

 

T= (bmep) V_e / (2p . k)

 

Where:

k = number of revolution per cycle = عدد اللفات بكل دورة

                (for a 4-stroke engine k=2, for a 2-stroke engine k=1)

              = 2 للمحرك الرباعي = 1 للمحرك الثنائي

 

وعليه يمكن حساب الضغط المتوسط الفعال البياني من المعادلات السابقة كالتالي

 

(bmep) = (60 . k)  P_b / (V_e x N)

 

(bmep) = (2p . k)  T / V_e

 

BMEP (kPa) = 12.56637 T (N m) / V (letter)  للمحركات رباعية الأشواط

 

BMEP (kPa) = 6.2832 T (N m) / V (letter) للمحركات ثنائية الأشواط

 

القيم الفعلية للضغط المتوسط الفعال الفرملي:
 Brake mean effective pressure (BMEP or bmep) typical values

- لمحركات السيارات ذات الإشعال بالشرارة الغير مشحنة: فإن القيمة القصوى تكون في حدود 8.5 إلى 10.5 بار (850 إلى 1050 كيلوبسكال), عند السرعة التي يكون عندها أقصى عزم.

- لمحركات السيارات ذات الإشعال بالشرارة المشحنة: تكون القيمة القصوى في حدود 12.5 إلى 17 بار (1.25 إلى 1.7 ميجابسكال).

- لمحركات السيارات الديزل ذات الأربعة أشواط تكون القيمة القصوى في حدود 7 إلى 9 بار (700 إلى 900 كيلوبسكال)

- لمحركات السيارات الديزل رباعية الأشواط والمشحنة تكون القيمة القصوى في حدود 14 إلى 18 بار (1.4 إلى 1.8 ميجابسكال).

 

الاحتكاك في المحرك Engine friction:

الاحتكاك هو القوة التي تضاد الحركة النسبية للحركة, أو نية الحركة بين سطحين. يؤدي الاحتكاك داخل المحرك بين الأسطح المحتكة إلى فقد في قدرة المحرك, وإلى تولد حرارة, وتآكل وبري بين الأسطح المحتكة. هذا يؤدي إلى زيادة الملوثات وزيادة استهلاك الوقود, تدني الأداء, تقصير العمر التشغيلي للمحرك والأجزاء.

يضاف إلى هذا الفقد نتيجة الاحتكاك فقد التدفق pumping losses عند الأحمال الجزئية لمحركات البنزين نتيجة استخدام الخانق للتحكم في الحمل والسرعة.

 

 

القدرة الضائعة في الاحتكاك Friction power (P_f):

هي القدرة الضائعة في التغلب على الاحتكاك والفقد في تدفق الشحنة للمحرك. وهي تساوي الفرق بين القدرة الناتجة من الاحتراق داخل الاسطوانة (القدرة البيانية) والقدرة الخارجة من عمود المرفق (القدرة الفرملية).

 

P_f = P_i - P_b  

 

الكفاءة الميكانيكية Mechanical efficiency ME (h_m):

الكفاءة الميكانيكية هي النسبة بين للشغل الخارج/ الشغل الداخل. وهي عادة يعبر عنها كنسبة مئوية. وهي تكون أقل من 100% وذلك لوجود فقد حراري نتيجة الاحتكاك.

ويمكن تمثيل الكفاءة الميكانيكية لمحركات الاحتراق الداخلي بأنها النسبة بين القدرة الفرملية مقسومة على القدرة البيانية.

 

الكفاءة الميكانيكية للمحرك = الشغل الخارج من المحرك / الشغل الداخل للمحرك من احتراق الغازات

                                 = القدرة الفرملية / القدرة البيانية

 

Mechanical efficiency = brake power /indicated power

 (h_m) =  (P_b)/ (P_i) = (P_i – P_f) /(P_i) = 1 – (P_f/P_i)
 

Where:

          P_f = power lost in friction = القدرة الضائعة في الاحتكاك (القدرة الاحتكاكية)

 

عند التعويض بمعادلة القدرة لكل من القدرة البيانية والفرملية في معادلة الكفاءة الميكانيكية نصل إلى أن الكفاءة الميكانيكية تساوي النسبة بين الضغط المتوسط البياني الفرملي إلى الضغط المتوسط البياني البياني.

 

(h_m) =  bmep/imep

 

ويمثل الفقد في التدفق والاحتكاك بين حلقات المكبس وجدران الاسطوانة القدر الأكبر في شغل الاحتكاك والقدرة المفقودة.   

العوامل الأساسية التي تساهم في فقد القدرة وتقليل القدرة الخارجة للمحرك:

1- نوع المعدن المستخدم في الاسطح المحتكة والتشطيب (نعومة السطح).

2- التحميل بين الأسطح المحتكة وحالة التزييت.

3- سرعة الاحتكاك.

4- نسبة الانضغاط.

5- معدل حدوث الاحتكاك (عدد اللفات في الدقيقة- سرعة دوران المحرك).

6- وضعية صمام الخانق

7- مقاومة الهواء, تزيد مقاومة الهواء مع مربع السرعة. الحدافة, القابض, المولد الكهربائي, مروحة التبريد.

8- التقليب الحاصل لزيت التزييت.

 

يبين الشكل قيمة القدرة البيانية المستخلصة من قياس الضغط بداخل المحرك, والقدرة الفرملية المقاسة من خرج المحرك, ومقدار القدرة الاحتكاكية (الفرق بين القدرة البيانية والقدرة الفرملية), والكفاءة الميكانيكية (خارج قسمة القدرة الفرملية/ القدرة البيانية) مع سرعة دوران المحرك.

 

* من الشكل يظهر أن القدرة البيانية (P_i)  أعلى من القدرة الفرملية (P_b) خلال مدي سرعة دوران المحرك. عند قياس الفرق بين القدرتين عند كل سرعة, نجد أن هذا الفرق يمثل الفقد في القدرة نتيجة التدفق والاحتكاك (P_f) عند هذه السرعة. مع زيادة السرعة تزداد القدرة المفقودة, وبالتالي يزداد الفرق بين منحنيي القدرتين.

 

نسبة القدرة للوزن بالنسبة للمحرك Engine power-to-weight ratio P-to-w (specific power) :

نسبة القدرة للوزن بالنسبة للمحرك أو القدرة النوعية specific power أو نسبة القدرة للكتلة power-to- mass ratio هي طريقة حسابية تطبق عادة على المحركات لتساعد على المقارنة بينهما. هذه النسبة تعتبر قياس للأداء الفعلي لأي محرك.

 

نسبة القدرة للوزن بالنسبة للاسطوانة الواحدة والاسطوانات المتعددة

Power to weight ratio (single-and multi-cylinder engines):

حيث أن قدرة المحرك تتغير مع مربع القطر (مساحة المكبس) وأن الكتلة تتغير مع مكعب القطر (التغير في الحجم). لزيادة القدرة باستخدام اسطوانة أكبر يؤدي إلى خفض نسبة القدرة/الوزن, ولكن في حالة زيادة عدد الاسطوانات فإن هذا يحافظ على نسبة القدرة/الوزن كما هي. هذا يعني أنه في حالة تساوي قدرة محرك 4 أسطوانات مع قدرة محرك 6 أسطوانات فإن نسبة القدرة/الوزن لمحرك 6 أسطوانات تكون أعلى (أحسن).

 

تحسب نسبة القدرة/الوزن بقسمة قدرة المحرك (القيمة القصوى) على وزن المحرك (أو كتلة المحرك)

 

P-to-w = P/w

 

وتقاس بوحدة كيلووات/ كيلوجرام أو أي من الوحدات التالية  kW/kg, PS/kg, hp/kg

 

* لمحركات البنزين رباعية الأشواط تكون النسبة بين 0.25-0.35 كيلووات/كجم, ولمحركات فانكل تكون النسبة 1.5 كيلووات/ كجم.

 

نسبة القدرة لوحدة السعة للمحرك
Specific engine output (Engine power/unit displacement):

وهي تقاس بوحدة كيلووات/لتر أو أي من الوحدات kW/l, PS/l, hp/l, وتحسب عن طريق قسمة قدرة المحرك على سعته.هذه النسبة مفيدة عند مقارنة محركات مختلفة ومنها يكن أيجاد حدود الإجهاد المؤثرة على المحرك. ففي حالة القيم العالية فإن هذا يدل على أن المحرك يتعرض لإجهادت عالية وهذا يشير إلى قصر العمر التشغيلي للمحرك.  ومحركات البنزين له قيم أعلى من الديزل والمحركات الدوارة لها نسبة أعلى من البنزين, وتزداد القيمة بمقدار من 1.25- 2 بالنسبة للمحركات المشحنة.

 

استهلك الوقود Fuel consumption (FC):

الوقود الذي يستهلكه المحرك يمكن قياسه بالحجم أو الكتلة. بالحجم فإن الوحدة هي السنتي متر المكعب أو الليتر في الثانية, دقيقة أو ساعة (1000 سم³ = 1 لتر). والقياس بالكتلة تكون الوحدة كجم لكل ثانية, دقيقة, أو ساعة (1 لتر من الماء يساوي 1 كجم عند درجة حرارة 4 مئوية)

العلاقة بين الاستهلاك بالحجم والاستهلاك بالكتلة هي

استهلاك الوقود (كجم/دقيقة) = استهلاك الوقود (لتر/دقيقة) × الكثافة النوعية للوقود (كجم/لتر)

 

* كثافة الوقود:
تستخدم في العادة وحدة كجم/م³ للإشارة إلى كثافة الوقود عند درجة 25 مئوية:

الإيثانول 789.0, الميثانول 791.5, البنزين 702.5 , البروبان 510.0, هيدروجين 70.8,  الديزل 900.

العودة للقائمة 

الاستهلاك النوعي للوقود Specific fuel consumption (SFC):

الاستهلاك النوعي للوقود يمثل كتلة أو حجم الوقود الذي يستهلكه المحرك في الساعة لإنتاج كيلووات من القدرة. وتكون الوحدة المستخدمة للدلالة على الاستهلاك النوعي هي كجم/(كيلووات ساعة)

 

SFC = FC/engine power (kg/h)/kW, (kg/kW h)

 

وهناك نوعين من الاستهلاك النوعي, الاستهلاك النوعي الفرملي وفيه ينسب استهلاك الوقود إلى قدرة المحرك الفرملية, والاستهلاك النوعي البياني وفيه ينسب استهلاك الوقود إلى قدرة المحرك البيانية.

وهو يعتبر مؤشر لكفاءة المحرك الحرارية, وهو واحد من أهم الخواص للمحرك. ويمكن عمل مقارنة بين محركات مختلفة القدرة والخواص, طالما توفرت طريقة قياس واحدة تتم تحت نفس ظروف التشغيل. ويمثل منحنى استهلاك الوقود النوعي بالنسبة لسرعة المحرك الانعكاس من خلال مرآه لمنحنى الكفاءة الحرارية, وتكون أدنى نقطة في منحنى  الاستهلاك النوعي للوقود هي أعلى نقطة في منحنى الكفاءة الحرارية.

 الحد الأدنى للاستهلاك النوعي للوقود لمحركات البنزين في حدود 300 جم/كيلووات ساعة  83 جم/ميجاجول,  بغض النظر عن أي تصميم معين ,.  عموما فإن الاستهلاك النوعي للوقود سوف يقل مع زيادة نسبة الانضغاط. ومحركات الديزل في حدود 240 جم/كيلووات ساعة وهذا يعني أن محركات الديزل لها استهلاك نوعي للوقود أحسن من البنزين (قلة القيمة تدل على استهلاك وقود أحسن) حيث أن لها نسبة انضغاط أعلى.

 
معدل استهلاك الوقود بالنسبة للسيارات Car fuel consumption rating:
بالنسبة للسيارات فإن معدل استهلاك الوقود يقاس بمقدار المسافة المقطوعة للوحدة الحجمية لتعبئة الوقود: ميل لكل جالون  mile per gallon (mpg), كم لكل لتر  kilometer per liter (km/L), أو مقدار حجم الوقود المستهلك لقطع مسافة 100 كيلومتر liter per 100 km (L/100 km).

 

* السبب وراء زيادة اقتصاد الوقود بالنسبة لسيارات الديزل Diesel efficiency هو أن محركات الديزل تستخدم نسبة خليط فقير super lean air fuel ratio, وهي ذات قيمة عالية لنسبة الانضغاط extremely high compression ratio, ووقود الديزل له قيمة حرارية عالية  high heat value of fuel.

 

الكفاءة الحرارية للمحركات Thermal efficiency (h_th):

تعرف الكفاءة الحرارية للمحرك بإنها كفاءة المحرك لتحويل الطاقة الحرارية الموجودة بالوقود إلى طاقة ميكانيكية. وقد أوضحت اختبارات الاتزان الحراري بشكل واضح أن محركات الاحتراق الداخلي ليست كفء في عملية التحويل تلك. فالكفاءة الحرارية لمحركات سيارات الديزل قد تصل إلى 41% ولكنها تكون في المعتاد في حدود 30%, ومحركات البنزين قد تصل إلى 37.3% ولكنها تكون في المعتاد في حدود 20%.

ويمكن الحصول على الكفاءة الحرارية من المعادلة

 

 

where

CV is the calorific or heat value of 1 kg of the fuel (J/kg, kJ/kg or MJ/kg)

 

where

ρ is the relative density (kg/L) of the fuel. كثافة الوقود (كجم/لتر)

BSFC is the brake specific fuel consumption (kg/P_b h)الاستهلاك النوعي الفرملي للوقود

 

كما أن الاستهلاك النوعي البياني للوقود ISFC يساوي

Indicated thermal efficiency = h_th  =

 

* لا تصل الكفاءة الحرارية للمحركات إلى 100% لوجود فقد حراري للطاقة المستخلصة من الوقود والتي تتمثل في الطاقة المفقودة بماء التبريد, والطاقة المفقودة بغازات العادم (الساخنة), كما يظهر في شكل الاتزان الحراري للمحرك.

 

القيمة الحرارية للوقود :Calorific value of fuel (CV)

هي مقدار الحرارة الناجمة من احتراق الوقود تحت ضغط ثابت وتحت ظروف التشغيل العادية. وتقدر القيمة الحرارية بوحدات كيلوجول/ كجم kJ/kg أو كيلوجول/متر مكعب kJ/m³.

هناك قيمتين حراريتين للوقود, القيمة الحرارية العليا أو الكلية والقيمة الحرارية الدنيا أو الصافية.

القيمة الحرارية العليا Higher Calorific Value (or Gross Calorific Value- GCV), تعتبر أن بخار الماء الناجم من الاحتراق تكثف بالكامل وأن الحرارة الموجودة بالبخار قد تم استرجاعها.

القيمة الحرارية الدنيا Lower Calorific Value (or Net Calorific Value- NCV), تعتبر أن الحرارة الموجود ببخار الماء الناجم من الاحتراق لم تسترجع.

في المعتاد تكون القيمة الحرارية للوقود الصلب والسائل هي القيمة الحرارية العليا تحت حجم ثابت. وبالنسبة للقيم الحرارية للوقود الغازي تكون هي القيمة الحرارية العليا تحت ضغط ثابت.

ويبين الجدول القيم التقريبية للقيم الحرارية للوقود:

 

منحنيات الأداء للمحرك  Engine performance curve:

العوامل التي تؤثر على عزم المحرك وقدرته Factors affect the engine torque and power:
مشاكل في الإشعال: سبق إشعال Pre -ignition, صفع   detonation

مشاكل في الضبط: وقود ضعيف weak mixture, توقيت الإشعال ignition timing-retarded ignition, تقديم عمود الكامة أو تأخير عمود المرفق camshaft advanced or crankshaft retarded, خلوص الصمامات tappet clearances, توقيت الحقن  fuel pump injection timing

ظروف التشغيل: حمل المحرك engine load,

تصميم المحرك: نسبة الانضغاط variation of compression ratio, تشحين المحرك supercharging, سرعة المكبس  piston speed

 

 

العودة للقائمة   

أنواع وتصنيف المحركات Engine types and classifications:

هناك العديد من الطرق لتصنيف المحركات على الرغم من أن الأجزاء الأساسية لجميع المحركات هي نفسها (كتلة المحرك, المكابس, عمود المرفق, عمود الكامة.....). ولكن تختلف التصميمات, وهو ما يؤثر على كيفية الأداء والصيانة. ويمكن تصنيف المحركات الحديثة للسيارات كالتالي:

* ترتيب الاسطوانات :Arrangement of cylinders

          - على شكل خط مستقيم In-line engine

          - على شكل حرف V V-type engine

          - محرك مائل Slant engine

          - محرك مسطح أو اسطوانات متقابلة Opposed engine

* عدد الاسطوانات Number of cylinders:

          - أربع اسطوانات

          - ستة اسطوانات

          - ثمانية اسطوانات

          - والقليل من 3, 5, 12 أو 16 أسطوانة

* ترقيم الاسطوانات Cylinder numbrs

          - ترقم الاسطوانات للمحركات على شكل خط مستقيم 1 2 3 4

          - المحركات على شكل حرف V يمكن التعرف على اسطوانة رقم 1 والتي تكون متقدمة بمقدار ضئيل عن الاسطوانة المقابلة في الجانب الأخر. وفي معظم الأحوال تكون الأرقام الفردية (1 3 5) في جانب والأرقام الزوجية (2 4 6) في الجانب الأخر. وفي بعض المحركات ترقم الاسطوانات بالترتيب في جانب (1 2 3) والجانب الأخر (4 5 6) يجب الرجوع إلى الكتالوج للتأكد من تلك المعلومات.

* ترتيب الإشعال Firing order:

          - محرك 4 أسطوانات (1-3-4-2) أو (1-2-4-3)

          - محرك أكثر من 4 أسطوانات يجب الرجوع إلى الكتالوج لمعرفة الترتيب.

* نظام التبريد Cooling system:

          - نظام تبريد بالسائل (ماء بالإضافة إلى سائل التبريد) ويسمى نظام التبريد بالماء. Liquid cooling

          - نظام تبريد الهواء. Air cooling

* نظام الوقود Fuel system:

          - محركات البنزينGasoline engine

                   - المغذي  Carburetor

                   - حقن الوقود  Gasoline injection  

          - محركات الديزل  Diesel engine

          - محركات الغاز  Alternative fuel engine

* نظام الإشعال Ignition system:

          - نظام الإشعال بالشرارة Spark ignition (SI) system

          - نظام الإشعال بالضغط Compression ignition (CI) system

* شكل غرفة الاحتراق Combustion chamber:

          - غرفة احتراق شكل المغطس Pancake (bath tub) combustion chamber

          - غرفة احتراق شكل الخابور Wedge combustion chamber

          - غرفة احتراق نصف كروية Hemispherical combustion chamber (hemi)

          - غرفة احتراق شبه نصف كروية Semi-hemi combustion chamber

          - غرفة احتراق دومية Swirl combustion chamber

          - غرفة احتراق انسياب متقابل Crossflow combustion chamber

          - غرفة احتراق انسياب غير متقابل Noncrossflow (backflow) combustion chamber

          - غرفة احتراق ذات صمامين Two-valve combustion chamber

          - غرفة احتراق ذات أربعة صمامات Four-valve combustion chamber

          - غرفة احتراق ذات ثغر الخليط Mixture jet combustion chamber

          - غرفة احتراق ذات ثغر الهواء Air jet combustion chamber

          - غرفة احتراق مقسمة الشحنة Stratified charge combustion chamber

          - غرفة سبق الإشعال  Precombustion chamber

* طريقة إدارة عمود الكامات Camshaft drive:

          - سير مسننCogged rubber belt

          - ترس Gear

          - جنزير Chain

* وضعية الصمامات Valve location:

          - في جسم المحرك (كتلة الاسطوانات) In the block

          - في رأس الاسطوانات  In the cylinder head (OHV)

* وضعية عمود الكامات Cam location:

          - عمود كامات في جسم المحرك (كتلة الاسطوانات) Cam-in-block

          - عمود كامات علوي Overhead cam

* عدد أعمدة الكامات Number of camshafts:

          - عمود كامات واحد علوي Single overhead cam

          - عمود كامات مزدوج علوي Dual overhead cam

* طريقة دخول الهواء (الشحنة) للمحرك :Method of air (mixture) delivery

          - سحب الهواء Normal aspiration

          - الشحن الجبري super charging (mechanically driven blower)

          - الشحن الجبري التوربيني Turbo charging (exhaust driven blower)

* المحركات البديلة Alternate engines:

          - المحركات الثنائية الأشواط Two-stroke engine

          - المحرك الدوار (فنكل) Wankel (rotary) engine

          - محرك الغاز التربيني Gas turbine

          - محرك استرلينج Stirling engine

 العودة للقائمة 

الأجزاء الرئيسية للمحرك Engine construction and components:

- رأس الاسطوانات(cylinder head)   Engine upper end

(غطاء الصمامات, الصمامات, عمود الكامات, رأس الاسطوانات, دليل الصمامات, نوابض غلق الصمامات, روافع الصمامات, ...)

 

- مقدمة المحرك Engine front end

(مجموعة إدارة عمود الكامة, نظام تخميد الاهتزازات والاتزان, مجمع السحب, مجمع العادم, نظام التوقيت..)

 

- جسم المحرك Engine lower end (cylinder block)

(كتلة الاسطوانات, علبة عمود المرفق, عمود المرفق, المكابس, أذرع التوصيل, كرسي التحميل, الحدافة, وعاءا لزيت)

 

أنظمة تشغيل المحرك Engine operating systems:

- نظام دخول الهواء (الشحنة) Charging system

- نظام الوقود Fuel system

- نظام الإشعال Ignition system

- نظام العادم Exhaust system

- نظام التبريد Cooling system

- نظام التزييت Lubricating system

- نظام التحكم في المحركEngine management and control system

- نظام التحكم في الملوثات (الانبعاثات) Emission control system

- نظام شحن الكهرباء Charging system

- نظام تقويم المحرك Starting system

 

وضعية المحرك في السيارة Engine position

- محرك أمامي Front engine

- محرك خلفي Rear engine

- محرك بالوسط Central (mid) engine