Table of Contents

وقد أدى تطور المواد المستخدمة في محركات التأشيرات (دورة أوتوماتا) إلى إعادة تشكيل محركها بشكل عميق من حيث القابلية للكثافة والكفاءة والقوى الكهربائية، وقد مكّن عنصر الميتالوجية الحديثة والهندسة الخزفية والعلوم المركبة من تحمل أعباء حرارية أعلى بكثير، والضغوط الميكانيكية، والبيئات التآكلية من قبلها، مما أدى إلى دراسة عوامل التوسيع في الابتكارات المادية الناشئة.

المؤسسة التاريخية: Era of Cast Iron and Plain Carbon Steels

)٢٠٠( محركات الدورة الأولى، من نموذج نيكولاس أوتو لعام ١٨٧٦ إلى منتصف القرن ٢٠، تعتمد حصرا تقريبا على الحديد الطبقي للقطع، والرؤوس، والأسطوانات، والفولاذات الخفية التي تستخدم في الفصائل، والربط بين القوارض، والصمامات، وتزيد نسبة الكتل الفلكية على الارتفاع في الوزن، وتزيد فيها نسبة وزنها عن حدها.

وكانت مواد الصمامات ذات الوجه الدافئ ضعيفة بوجه خاص، فقد ظهرت صمامات عوادم الصلب الكربوني التي تُسمَّى وتُسدَّد تحت درجات حرارة الاحتراق المستمرة فوق 600 درجة مئوية.

ثورة الألمنيوم: الوزن، نقل الحرارة، الهيكل المعاصر للمهندسين

إن إدخال سبائك الألومنيوم في الخمسينات للطيور، ورؤوس الأسطوانات، وفي نهاية المطاف، تشكل لبنات المحرك أول قفزة رئيسية في قابلية عنصر دورة Otto للدوامة، وتخفض المساحات الحديثة ذات السمنة العالية (مثلا، 356، 390، ودرجة الحرارة العالية التي ترتفع فيها درجة الحرارة العالية، مثل A390).

Aluminum Pistons

:: تهيمن الآن على محركات دورة الألومنيوم المزيفة، التي تنتج غالبا من السواحل مثل 2618 أو 4032، وتهيمن الآن على محركات عالية الأداء والإنتاج، وقدرتها على الحفاظ على استقرار البعد عند درجات حرارة التشغيل حتى 350 درجة مئوية، مقترنة بمجالات التبريد الحديثة المصممة بدقة والتي تعمم النفط من خلال تاج البستون، قد وسعت حياة البستون من حوالي 000 100 ميل في تصميمات الطوابع الأكبر سنا.

Aluminum Cylinder Liners and Coatings

وفي حين أن أجهزة الإسطوانات التي تستخدم الصبغة الصبغة لا تزال شائعة في كتل الألمنيوم، فإن المعاطف المتقدمة مثل نيكاسيل (الكهرباء الكهروريدية للنيكل النيكل) والفولسمة التي نقلت في طلاء الأسلاك (PTWA) قد أتاحت الاتصال المباشر بالألومنيوم على اللومنيوم، مما أدى إلى إزالة الحاجة إلى وجود أجهزة مقاومة مستقلة تعمل بالوقود (نيكيل) تبلغ مساحتها 000 100 ميل.

السبيكة العالية التألق: فالفيس، وبحار، وتوربو فوربور

وأصبحت السبيكات الخارقة التي تعتمد على النيكل هي أقصر أجهزة دورة الأوتو - الصمامات المحتوية على الصمامات، ومقاعد الصمامات، وعجلات التربين التي تعمل بالطيور، وقدرتها على الاحتفاظ بالقوام عند درجات الحرارة التي تقترب من 1000 درجة مئوية تتجاوز بكثير قدرة الفولاذ أو الحديد.

Inconel and Nimonic Alloys

ويستخدم الإكرانيون 751 و 80 ألف في صمامات العادم في المحركات ذات الأداء العالي والمحركات الاضطرابات الحديثة، وتحتوي هذه السبيكات على الكروم والكوبالت وإضافات التيتانيوم التي تشجع على مرحلة ثابتة من هطول غاز غاما، مما يوفر مقاومة مخيفة وحماية من الأكسدة، وعلى سبيل المثال، فإن صمامات العادم التي ترتفع في درجة حرارة الفرن

Ceramic and Cermet Valve Seats

- إدخالات من السبيكات أو العنق المحتوي على مساحات أو أعصاب مائية (مركبات مائية عنقية) مثل ستيليت 12 أو تريبالوي T-700 مقاومة للصيد والارتداء في درجات حرارة عالية، كما أن المقاعد غير المستأجرة أو غير المزروعة بالليزر في رؤوس الألومنيوم تزيد من تحسين قابلية الارتحال بحافظة على واجهة وقودية ثابتة تمنع حدوث تحليق محرك مبكّر.

مواد شحن

وتستخدم عجلات توربومر في محركات دورة الإنتاج الجماعي للعموم في الوقت الحاضر عادة الإيكونيل 713C أو مار-M 247 (وهي سباحة مجهزة بالنيكل مع حفنة من الهافنيوم والتنتالوم لتحسين مقاومة الأوكسجين) وتستخدم سلسلة غاريت GTX مقاعد من طراز Mar-M 247 للبقاء على قيد الحياة في درجات حرارة عالية تصل إلى 1050 درجة مئوية من الضغط

الابتكارات غير المتعلقة بالطقوس: البوليمرات والسيراميكات والمركبات

وفي حين تهيمن المعادن على غرفة الاحتراق، فإن المواد البالية والخزفية قد نحت نكازات هامة في المتناول والتبريد ونظم التحميل.

Polymer Composite Intake Manifolds

وقد حلت هذه النسيجات الداخلية السلسة التي تُستخدم في النسيج، إلى حد كبير محل النسيج الزجاجي (مثلاً، البوليمر - ألتامينيوم) الذي يُستخدم في التعاطي، كما أن السطوح الداخلية السلسة للبوليمر تقلل من مقاومة التدفق، بينما يقلل استيعابها الحراري المنخفض من تكلفة التدفئة الجوية، ويحسن كفاءة الحجم.

المقارنات المعمارية والمكونات البوليطينية

وقد تُطبق المعاطف الحرارية (الحواجز التي تُستخدم في الزركونيا التي تُستثبَط في التركونيا أو الملوِّثات على التاج البستوني، وأسطح حرائق رأس الأسطوانة، وجدران البواخر العادمة، وبخفض درجة الحرارة إلى درجة الحرارة القصوى، مع تحسين كفاءة التبنّي في الترُّب الحراري، مع حماية المعدنات الأساسية من التلوتر الحراري(4).

التكليف والعلاج السطحي: توسيع نطاق العنصر العمري دون تغيير المواد الأساسية

وقد مكّنت الهندسة السطحية المتقدمة من تحقيق استدامة المعادن الأساسية (التي غالبا ما تكون أرخص من الفولاذ أو الألمنيوم) مقارنة بالمناهج الغريبة، وتشمل التقنيات الرئيسية ما يلي:

  • (د) تُغطية كربونات شبيهة بالـ دياموند (DLC): ] Applied to piston fats, tappets, and fuel injector needles. DLC offers a low friction coefficient (0.05-0.15) and extreme hardness (up to 70 GPa), reducing scuffing and wear in boundary-lubricated contacts in.
  • Nitriding and carbonitriding:] Case-hardening treatments for crankshafts, camshafts, and valve stems. Gas nitriding of 4140 steel crankshafts produces a hard, wear-resistant surface (62 HRC) while retaining a hard core, resisting bendingi.
  • (أ) إزالة أكاسيد الكروم وأكسيد الألومنيوم، ورشات الأسطوانات المُشَبَّعة بالألومنيوم، ورشات التلويث الحرارية المُصَلَّبة، ورشات الخريجين، وورقات الخنادق المُصوَّرة في محركات عالية الأداء، وتُحدِّد المعاطف الرئيسية التي تستخدم في أجهزة التكليل المُصَرَّة.

العنصر السريع

Pistons: From Cast Iron to Forged Aluminum with Coling Channels

فالأسطوانات الحديثة ليست مجرد صبغة بسيطة، إذ أن البستات المزورة للألومنيوم التي تحمل ناقلات من حلقات الفولاذ (للمقاومة ارتدائها) ومجالات التبريد التي تستخدم في الطوابق أصبحت معيارا في محركات التركيب المبطنة، ومقياس التبريد الذي يغذيه نيران النفط، يقلل درجة حرارة التاج بمقدار 150 درجة مئوية.

Connecting Rods: Powder Metal vs. Forged Steel

تحولت القضبان المحتوية على مواد محركية من طراز Otto-production من الصلب المزيف إلى الفولاذ المزود بالبنود المربطة بالقضبان، حيث إن قضبان الكيماوي، التي تصنع بمسحوق من مركب مدمج وثابت من نوع المركب، تتيح إنتاج الشاشة الصافية ببعد عال (17000000) وتصميمات العجلات المزروعة (أسطو)

Crankshafts: Microalloyed Steel and Induction Hardening

وتُزوَّر الشظايا الثلاثية الحديثة عادة من الصلب المتناهي الصغر (مثلاً، 38 ميغاني سيف - 5) الذي يحقق قوة عالية من خلال التبريد المراقب بعد التكرير، ويلغي الحاجة إلى معالجة المؤخرات والمؤن، وتُقدِّم مساحات الكسر المُحمَّلة أو المُحَوَّلة في الجرائد المُعدَّلة مقاومة للارتطاء، ويُخَّلُ 150 ضغطاً للضغط المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُ المُضَفَةُضَةُضَةُ إلى التراكمةُ إلى الإجهادَةِ.

عمليات الشحن: الترايميتال وبوليمر

وقد تطورت المحركات من مجرد عمليات الإنشاء المميت إلى عمليات التركيب الثلاثية المعقدة بدعم من الصلب، أو من خلال نظام متداخل بين الرصاص والألمنيوم، أو من ارتفاع معدل البوليمر (مثلا، ثنائي الفينيل متعدد الأطراف، مع قوة PTFE) حيث يتيح البوليمر المغشوش إمكانية التطابق مع عوامل التضليل المؤدي إلى حدوث خلل في المخاط والحطام المختلط، في حين أن طبقة الدهونيوم.

الفوائد المحققة: مدى الصلاحية والكفاءة وكثافة الطاقة

وقد أدى الأثر التراكمي لهذه التطورات المادية إلى حدوث زيادة كبيرة، حيث بلغت المحركات الحديثة لدورة Otto 000 250 إلى 000 300 ميل قبل أن تتطلب تدخلا كبيرا، مقارنة بما يتراوح بين 000 80 و 000 100 ميل للمحركات من السبعينات، وقد زادت كثافة الطاقة من 30 hp/liter إلى أكثر من 100 hp/liter في محركات الاضطرابات المنتجة جماعيا، في حين انخفضت نسبة الاستهلاك المحدد من الوقود بنسبة 30 في المائة.

التحديات: التكلفة، الصناعة التحويلية، إعادة التدوير

ورغم هذه المكاسب، تفرض المواد الحديثة قيوداً جديدة، إذ يمكن أن تكلف المحار السطحي الذي يرتكز على النيكل أكثر عشرة أضعاف كل كيلوغرام من الفولاذ الكربوني، كما أن قدرة هذه المركبات على الارتداد سيئة، كما أن هناك حاجة إلى سوائل قطعية متخصصة، حيث أن الفلزات المزودة بالرقائق، وإن كانت دقيقة، تتطلب صحافة مخصَّصة وأفران متقطعة، مما يزيد من النفقات الرأسمالية.

وثمة تحد آخر هو التوافق الكيميائي، إذ إن الصمامات المزودة بالسوديوم، إذا اختُرقت، يمكن أن تسبب التآكل الكارثي في دليل الصمامات، ويمكن أن تؤدي الوقود المزروع بالإيثانول إلى التعجيل بتآكل مكونات الألمنيوم إذا لم يكن تركيب السبيكة على النحو الأمثل، وتواصل الصناعة العمل على المواصفات الموحدة للمسافات وأجهزة التصفيات الواقية للتخفيف من هذه القضايا.

الاتجاهات المستقبلية: التصنيع الإيجابي، والنواميس، والاستدامة

وفي المستقبل، تعد ثلاثة اتجاهات بزيادة دفع حدود عنصر دورة أوتو.

الصناعة المضافة (3D Printing)

وقد استخدم بالفعل دمج سباكة لازر من النيكل الفوقية القائمة على النيكل مثل Inconel 718 لإنتاج قنوات تجميل داخلية معقدة في المساكن الاضطرابات والعصيان، ويتيح التصنيع الإضافي ممرات التبريد المتوافقة التي تقلل من الخانات الحرارية بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، مما قد يؤدي إلى مضاعفة حياة الدونات الحرارية من البذور والرؤوس ذات الوزن الزائد.

نانوماتريس ونانو بُني

فمعدن النانوستريستالين، مثل سبائك النيكل النانوي، توفر قوة غلة تتجاوز ٢ جي بي - ٥ أضعاف ما يمكن أن يحدث في إطار عملية المسح التقليدي للصلب، وتخفض المعاطف النانوية التي يُمكن أن تُجرى في إطارها الأشعة، وتزيد نسبة المعاطف التي تُجرى في إطار خط الفول السوداني (مثلاً، الخواص الخفية التي تُستخدم في إطار نظام كارنوباك) من خلال زيادة في المقاومة عن 50.

المواد المستدامة والبيولوجية

ومع تشديد الأنظمة البيئية، يقوم الباحثون بتطوير السكك الحديدية ذات المحتوى النادر من الطاقة والمركبات المتعددة الزمرات من مصادر متجددة (مثلاً، النايلون المنفذ من قبل الزنجبيل)، وتجرى اختبارات للتغطية الحيوية المستمدة من الأطر العضوية المعدنية في مراحل مبكرة لإطلاق المواد الصالحة للشرب، والهدف النهائي هو المواد التي تفي بالقابلية الحالية للتحلل أو تتجاوزها تماماً.

خاتمة

وقد حولت المواد الحديثة مكونات محركات دورة Otto من تجمعات الحديد والبطن إلى نظم هجينة متطورة من السبيكات المتقدمة، والسرامات، والبوليميرات، والمعاطف، والنتيجة هي محرك يمتد من مرتين إلى ثلاث مرات، وينتج طاقة أكبر من مجموعة أصغر، ويستهلك قدرا أقل من الوقود، وتشتد التحديات في التكلفة، وقابلية الصنع للاختلال، وتستمر الابتكارات.

For further reading on material selection for motor durability, refer to the SAE International technical papers] on high-temperature alloys, the ASM Handbook] on engineered materials, and the Engineers Edge]