المصطحات الفنية للمحرك

1) سعة المحرك (Engine Capacity):

يجب أن نتعرف الي عدد من المصطلحات كي نتمكن من فهم سعة المحرك مثل النقطة الميتة العليا (TDC) ،

والنقطة الميتة السفلي (BDC) ، وقطر الاسطوانة (d) وإزاحة المكبس.  

التعاريف:

 النقطة الميتة العليا (TDC):

هي أعلي نقطة يصل اليها المكبس عند حركته الي الأعلي داخل الأسطوانة.

النقطة الميتة السفلي (BDC): 

هي أدني نقطة يصل اليها المكبس عند حركته الي الأسفل داخل الأسطوانة.

الشوط (Stroke) (L):

المسافة التي يقطعها المكبس خلال حركته بين النقطة الميتة العليا والنقطة الميتة السفلي أو بالعكس.

بمعني أخر إن المكبس يصنع شوطاً واحداً في أثناء حركته إلي الأعلي وشوطاً آخر في أثناء حركته إلي الأسفل.

قطر الاسطوانة (Bore)  (d):

هو القطر الداخلي للأسطوانة ، ويقاس عادة بالملمترات أو بالبوصة 

إزاحة المكبس (Swept Volume):

هي الحجم الذي يزيحه المكبس عند حركته من  النقطة الميتة العليا (TDC) إلي النقطة الميتة السفلي (BDC)

 أو العكس من النقطة الميتة السفلي(BDC) إلي النقطة الميتة العليا (TDC).

يمكننا الآن تعريف سعة المحرك كمجموع لحجوم الازاحة التي تصنعها كافة مكابس المحرك.

ويمكن التعبير عن سعة المحرك أيضاً بالشكل التالي:

سعة المحرك = حجم الازاحة للمكبس الواحد × عدد أسطوانات المحرك

حساب سعة المحرك (Computation):

              d = قطر الأسطوانة الداخلي بالسنتميترات

             L = طول الشوط بالسنتميترات 

             n = عدد أسطوانات المحرك

            π = النسبة التقريبية= 22/7= 3.142

2) نسبة الأنضغاط (Compression Ratio):

التعاريف:

1-إزاحة المكبس (Swept Volume):

هي الحجم الذي يزيحه المكبس عند حركته من  النقطة الميتة العليا (TDC) إلي النقطة الميتة السفلي(BDC)

 أو العكس من النقطة الميتة السفلي(BDC) إلي النقطة الميتة العليا (TDC).

2-حجم الخلوص (Clearance Volume):

هو الحجم الموجود فوق المكبس عندما يصل الي النقطة الميتة العليا (TDC).

3-نسبة الأنضغاط (Compression Ratio):

هي النسبة بين الحجم المتبقي فوق المكبس عندما يصل الي النقطة الميتة السفلي(BDC) والحجم المتبقي فوق

 المكبس عندما يتواجد عند النقطة الميتة العليا (TDC).

ومن المعلومات المذكورة يمكن تعريف نسبة الأنضغاط بأنها النسبة الناتجة عن قسمة الأجمالي علي حجم الخلوص 

، حيث أن الأجمالي يساوي إزاحة المكبس مضافاً إليها حجم الخلوص.                                                            

وكلما ارتفعت نسبة الأنضغاط ، ارتفعت درجة الحرارة وارتفع الضغط أثناء شوط الأنضغاط.

 في السنوات الأخيرة ، ازدادت نسب الأنضغاط في محركات السيارات ولهذه الزيادة فوائد عديدة منها تزداد قدرة 

المحرك بازدياد نسبة الأنضغاط (الي حدود معينة) ، مع زيادة مماثلة في حجم المحرك أو كتلتة.

ونتيجة لأرتفاع نسبة الضغط ، يزداد انضغاط خليط الوقود والهواء ، فينتج خليط الهواء والوقود قدرة أكبر خلال 

شوط القدرة.

يؤدي عادة ارتفاع نسبة الأنضغاط إلي وجود ضغط أعلي عند نهاية شوط الأنضغاط ، ويعني هذا أنه عندما يبدأ

 شوط القدرة ، يمكن الحصول علي ضغوط عالية للاحتراق ، وقوة أكبر تقع علي المكبس خلال معظم شوط  

القدرة،فيمكن الحصول علي قدرة أكبر في كل شوط قدرة.

وبسبب ازدياد الأنضغاط ، تنتج مشاكل خاصة فعل سبيل المثال،كلما ازدادت نسبة الأنضغاط ، ازدادت حدة

 مشكلة الصفح (Detonation) في محركات البترول ، أو الطرق (Knocking) في محركات الديزل. 

حساب نسبة الأنضغاط (Computation):

تحسب نسبة الأنضغاط بقسمة الحجم الكلي للخليط في الأسطوانة الواحدة (بما في ذلك حجم غرفة الأحتراق) 

عندما يكون المكبس عند النقطة الميتة السفلي علي حجم الخليط عندما يكون المكبس عند النقطة الميتة العليا 

الواحدة (حجم غرفة الأحتراق).

والشكل يبين نسبة الانضغاط لمحرك الديزل والتي تصل الي  18:1

فإذا أشرنا إلي حجم غرفة احتراق المحرك كحجم الخلوص وإلي ازاحة المكبس كحجم الأزاحة أمكننا التعبير عن

 نسبة الأنضغاط كما يلي:

نسبة انضغاط المحرك = (حجم الأزاحة + حجم الخلوص )/(حجم الخلوص )

للتعرف إلي نسبة الأنضغاط أكثر نعرض عليك نسب الأنضغاط الأعتيادية الأتية:

           السيارات العادية(سيارة البترول) (7:1)    إلي     (9:1)

           السيارات الرياضية والدرجات البترولية (9:1)    إلي     (11:1)

            سيارات السباق  (11:1)    إلي     (13:1)

            سيارات الديزل  (14:1)    إلي     (28:1)

3) سرعة المكبس (Piston Speed):

بينما يدور المحرك ، يتحرك المكبس باستمرار إلي الأعلي وإلي الأسفل بين النقطة الميتة العليا أو إلي النقطة

 الميتة السفلي ، وتتحقق هذه الحركة بسرعة عالية معتمدة علي نوع المحرك.

تعريف سرعة المكبس:

ويمكن التعبير عن سرعة المكبس:

 بأنها المسافة التي يقطعها المكبس عند حركته إلي الأعلي أو الأسفل داخل الاسطوانة لكل وحدة من الوقت.

ويعبر عنها بوحدات متر⁄ دقيقة       أو      m ⁄ min     

يتراوح متوسط سرعة المكبس في المحركات الحديثة بين 300 الي 600  m ⁄ min اعتماداً علي سرعة المكبس.

حساب سرعة المكبس (Computation):

متوسط سرعة المكبس = L×N = S

حيث:

S = متوسط سرعة المكبس         m ⁄ min 

L = طول الشوط بالسنتميترات  

N = سرعة المحرك = (rpm)    أو    لفة  ⁄ دقيقة

 4) قدرة المحرك (Engine Power):

يصف هذا الجزء الطرق المختلفة لقياسات المحرك ويمكن أن يكون مقياس المحرك بدلالة ابعاده كقطر الأسطوانة

 وطول الشوط وعدد الاسطوانات وقد يكون مقياس المحرك بدلالة عزمة والقدرة التي يمكن الحصول عليها منة

  والكفائة والقدرة الاحتكاكية للتغلب علي الاحتكاك الداخلي بالمحرك وسوف نناقش هذه المصطلحات و معانيها 

واستعمالاتها في دراسة المحرك وكذلك القدرة.  

التعاريف:

قدرة المحرك (Engine Power):

هي قدرة المحرك علي انتاج شغل وتقاس قدرة المحرك بوحدات الوات (w).

والواط هو جول واحد من الشغل في ثانية واحدة،وهي مساوية لقوة مقدارها نيوتن واحد تتحرك لمسافة متر 

واحد في ثانية واحدة، N.m ⁄ s.

الحصان الميكانيكي  (Horse Power): 

هي وحدة من وحدات القدرة والحصان الميكانيكي = 746 وات. 

وقد تم ابتكار وحدة القدرة هذه عندما أقيمت مقارانات بين الشغل الذي تنتجه الآلات الحديثة ، والحصان 

الذي كان قديماً مصدراً عادياً للقدرة.

الضغط المتوسط الفعال (Mean effective pressure):

هو الضغط المفترض الذي يجب أن يؤثر في المكبس خلال شوط القدرة ليعطي نفس الشغل الناتج عن الضغط 

الفعلي المتغير خلال هذا شوط.

عزم المحرك (Engine Torque):

هو مقدار التدوير التي يمكن أن ينتجها المحرك عندما يتحرك المكبس الي الأسفل خلال شوط القدرة، فأنه يؤثر

 بعزم معين علي عمود المرفق للمحرك، وكلما ازدادت القوة الواقعة علي المكبس، ازداد العزم الواقع علي 

عمود المرفق وبالتالي كلما ازداد ضغط الاحتراق ازداد مقدار العزم المؤثر. 

حساب قدرة المحرك (Computation):

حساب الشغل:

الشغل (Work ) = القوة   × المسافة

الجول                =  نيوتن × متر

ويعرف الجول بأنة:

مقدار الشغل الذي تبذله قوة مقدارها (1 نيوتن) إذا أزيحت نقطة تأثيرها في إتجاه خط عملها مسافة (1 متر).

حساب العزم :

يحسب مقدار عزم المحرك باستخدام العلاقة :

عزم القوة = القوة ×  المسافة (ذراعها)

              = r    ×   F                     حيث : 

F  =   القوة ( نيوتن)           

r  =   نصف القطر (ذراع العزم أو ذراع القوة) ( m) 

حساب الحصان الميكانيكي للمحرك بمعرفه الضغط المتوسط الفعال:

      hp = الحصان الميكانيكي = (Pm×L×A×N) /  (4500×n)  

Pm     =   الضغط المتوسط الفعال بوحدات (kgf⁄cm2 )

L        =   طول الشوط بوحدات ( m) 

A        =   مساحة مقطع الأسطوانة بوحدات (cm2)

N        =   سرعة دوران المحرك بوحدات ( rpm)

n        =   عددالدورات لكل نوع من دورات المحرك (الرباعية أو الثنائية).

               (n = 1  لمحرك الدورة الثنائية ، n = 2 لمحرك الدورة الرباعية)

حساب الحصان الميكانيكي للمحرك بمعرفه العزم:

   hp    = الحصان الميكانيكي  = T×N /4500   

N        =   سرعة دوران المحرك بوحدات ( rpm)                   

T        =    العزم بوحدات (kgf.m)

أنواع قدرات المحرك (Types of engine power):

للمحرك ثلاثة أنواع من القدرة

النوع الأول هو القدرة الناتجة من المحرك (Output Power) 

وهي القدرة التي ينتجها المحرك وتؤخذ منه من الحدافة (Flywheel) وتسمي في بعض الأحيان القدرة

 الفرملية للمحرك (Brake Power).

النوع الثاني هو القدرة البيانية (Indicated Power) 

وهي القدرة التي يطورها المحرك وتحدث داخل غرفة الأحتراق (Combustion chamber).

النوع الثالث هو القدرة الأحتكاكية (Friction Power) 

وهي القدرة المفقودة في المحرك للتغلب علي الاحتكاك الناتج من الأجزاء الدوارة للمحرك. 

العلاقة بين القدرة الفرملية والبيانية والاحتكاكية 

  القدرة الفرملية    =  القدرة البيانية              -   القدرة الأحتكاكية            

 Friction Power   -     Indicated Power = Brake Power

إن القدرة الحرارة المتبقية التي تتسبب في تمدد الغازات وإنتاج ضغط عالي ، تؤدي الي إجبار المكبس علي

 الحركة الي الأسفل ، وبالتالي الحصول علي القدرة المطلوبة.

وبما أن الفواقد الحرارية كثيرة خلال تشغيل المحرك ، فإن الكفاءة الحرارية للوقود قد تتدني الي 20% 

ونادراً ما تزيد عن 25% ، كما أن هناك محددات عملية تحول دون الحصول علي كفاءة حرارية أعلي من ذلك. 

5) الكفاءة الحجمية (volumetric efficiency): 

الكفاءة الحجمية لمحرك الأحتراق الداخلي هي النسبة بين الحجم الفعلي للشحنة الداخلة للاسطوانة عند الظروف

 المثالية (درجة الحرارة والضغط المثاليين) خلال شوط السحب وحجم الأزاحة الناتجة عن المكبس خلال ذلك الشوط.

وفي المحركات الحديثة التي بدون ضاغط هوائي أو شاحن تربيني ، نادراً ما تتجاوز الكفاءة الحجمية 80% 

 وتتوقف قيمتها الفعلية علي عوامل متعددة والعوامل التالية هي الأكثر أهمية: 

1- سرعة المحرك.

2- نسبة الأنضغاط.

3- درجة حرارة شحنة الخول.

4- قوة الشحنة.   

                                                                                                                               

ويوضح الشكل السابق العلاقة بين الكفاءة الحجمية (volumetric efficiency) وسرعة المحرك

(Engine speed) ، وعند تفحص هذا المنحني يلاحظ أن الكفاءة الحجمية عند السرعات المنخفضة

 تكون اقل بقليل من قيمتها القصوي.

الكفاءة الكلية ( Total efficiency):

فيمكن تعريفها بأنها العلاقة بين القدرة المسلمة لدفع السيارة والقدرة الداخلة.

حيث يدخل الوقود إلي المحرك وفيه مقدار معين من الطاقة التي يمكنها تأدية شغل معين ، وفي كل خطوة 

من عمل السيارة بدءاً باحتراق الوقود في الأسطوانات ، وحتي دوران المحرك ، يتم فقد جزء من الطاقة .

والبيانات التالية هي لمحرك معين يبين نسب الفقد المختلفة: 

• فقد الطاقة في نظام التبريد 35%

• فقد الطاقة في نظام العادم 35%

• فقد الطاقة في الأحتكاك 5%

• فقد الطاقة في نظام نقل الحركة 10%

• القدرة المتبقية للجر 35%

حساب كفاءة المحرك (Computation):

يمكن حساب الستهلاك النوعي للوقود(Specific fuel consumpation) (sfc) من المعادلة الآتية:

الاستهلاك النوعي للوقود  (sfc) =( الوقود المستهلك) (kg⁄hr) / (القدرة المنتجة)

أما الكفاءة الحرارية فيمكن حسابها من المعادلة الاتية:

الكفاءة الحرارية الفرملية = (hp×632.5) / (mf×C.V)  

hp      = القدرة بالحصان الميكانيكي

CV    = القيمة الحرارية للوقود     kcal⁄kg  

 mf    = كتلة الوقود  المزود  بالكيلو لكل ساعة = kg⁄hr

وقد تقاس بـ الوحدات التالية: 

CV    = بالجول / كيلوجرام

hp     = الكيلواط