مقدمة: كسر النموذج المختلط

وكان محرك الاحتراق الداخلي هو العمود الفقري للنقل الشخصي لأكثر من قرن، ومع ذلك فإن مبادئه الأساسية المتعلقة بالحركة الحرارية ما زالت تتطور، حيث أن دورة Otto لا تزال النموذج المهيمن لمحركات الغازولين المشتعلة، وكان المهندسون يدركون منذ وقت طويل أن زيادة نسبة الضغط تؤدي إلى تحسين الكفاءة الحرارية، غير أن هذه العوامل كانت دائما مقيدة بالوقائع الميكانيكية للتصميم الثابت بالنسبة للأرض.

Thermodynamic Foundations of the Otto Cycle

وقبل تقييم أي ابتكار معزز للكفاءة، من المفيد إعادة النظر في الدورة التي تهدف إلى تحسينها، أما النماذج المثالية لدورة الأوتو، وهي محرك حرارة من أربعة محار، من خلال عملين مائيين، وخطوتين ثابتتين من حيث الحرارة، ومن خلال السكتة المضغوطة، فإن البستان ينتقل من مركز القاع إلى مركز الصدع، ويقلل من حجم الكبريت ويرفع كل من درجة الحرارة والضغط.

أما الكفاءة الحرارية لهذه الدورة المثلى، فهي تقلل من الطاقة المركبة، وتأتي نتيجة للتعبير غير المكتمل المكتمل: 1 - 1 - 1 - غاما-1 - 1 ] حيث تشير نسبة الضغط إلى الحرارة المحددة لسوائل العمل، وتوضح هذه الصيغة ما يعرفه مصممو المحركات منذ عقود: ارتفاع معدل المحركات الاستهلاكية بنسبة 8 في المائة.

الدق: الخلية العملية على نسبة الضغط

وإذا كانت نسب الضغط المرتفعة مفيدة جدا، فلماذا لم تعتمد الصناعة ببساطة " س " = قبل ١٥: ١ أو أكثر من عقود؟ والجواب يكمن في طرق المحرك، المعروف أيضا باسم التفجير، وحيث أن البستان يضغط على خليط الوقود، ودرجة حرارة الغازات النهائية، وازدياد الضغط، وفي بعض الظروف، فإن أجزاء من الخليط غير المحترق يتجه إلى الأمام، مما يؤدي إلى حدوث زيادات حادة في الضغط.

ويتأثر المصمم بشدة بنسبة الضغط، وتقديرات الأوكتان، وتوقيت الشارة، ودرجة حرارة شحن الأسطوانات، وفي محرك ثابت للكساد، يجب أن يختار المصمم نسبة تتفادى تداخل جميع ظروف التشغيل الواقعية، بما في ذلك تآكل الطين الواسع النطاق في يوم ساخن مع وجود وقود منخفض التقلبات، وهذه النسبة الآمنة أقل دائما مما هي عليه في المثالية للضغط على المحركات المضغوطة أثناء فترة الحمل الضوئية

الهندسة المعمارية للضغط المتغير

ولا تمثل نسبة الضغط المتغير اختراعا واحدا بل هي أسرة من الآليات التي تغير حجم التشريد أو إزالة الأسطوانة الفعلية أثناء تشغيل المحرك، والهدف المادي هو: تفريق المسافة بين تاج البستون في مركز الأموات العليا ورأس الكيسليندر، أو تغيير الحجم المتناثر لحجم التطهير، بحيث يمكن أن تُحسب النسبة لحظة واحدة، أو عدة هياكل متميزة للإنتاج.

  • ]Multilink crank mechanism] - Used in Nissan ' s VCTurbo motorect, this system employs a lower articulated link and an eccentric control shaft to adjust the position of the top dead center with piston’s top dead center without altering the connectioning rod’s heart geometry in a conventional sense.
  • Moving cylinder head assembly] – Saab explored a design in the early 2000s that tilted the entire cylinder head relative to the block, changing the clearance volume. While conceptually simple, the approach introduced sealing challenges and additional mass that made series production impractical at the time.
  • ]Variable - ngth connecting rod - وقام عدد من الموردين، بمن فيهم بورغوارنر وتيوتا، بتطوير ربط قضبان بنظم حبس هيدروليكية أو آلية تغير طول القضبان الفعلي، ومن خلال إطالة القضبان أو تقصيره، فإن أعلى نقاط القفل المميتة، ولكن تغيير نسبة الضمادات يتطلب الحزمة.
  • Split -chamber or secondary piston] - MCE —5 Development demonstrated a system where a moving crank gear shifts the crankshaft axis, effectively changing the compression ratio. Another concept uses a small auxiliary piston in the cylinder head to vary the clearance volume. These designs offer high flexibility but often increase
  • - استخدم بعض محركات البحث في دبوس رسغ في مغسلة البستون الذي يتناوب لتغيير المسافة الفعلية بين تاج البستون والقضبان الموصلية، وتغيير نسبة الضغط، وهذه الطريقة أبسط من الناحية الميكانيكية ولكنها محدودة في نطاق التعديل.

وتأتي كل طريقة بمبادلاتها الخاصة بكل منها في مجالات التعقيد والاحتكاك والوزن والاستجابة للمراقبة، ولكن الهدف الأساسي للحركة الحرارية متطابق: تحقيق أعلى نسبة ضغط يمكن أن تتسامح معها ظروف التشغيل الفورية دون طرق.

How VCR Enhances Otto Cycle Efficiency: A Detailed look

عملية دفع جزء من الأرض وفقدان التعبئة

ويُعدّ ضغط الدم الضوئي الأغلبية الساحقة من حياة تشغيل مركبة الركاب، وفي محرك ثابت تقليدي، تؤدي الحاجة إلى ضخ الهواء المتناول إلى خسائر كبيرة في الضخ، حيث أنَّ المحركات تعمل على سحب صمام ثابت جزئياً، بالإضافة إلى أنَّ الضغوط المتباينة في الكيس تعني أنَّ المحركات لا تستخدم نسبة التوسيع الكاملة إلى الطاقة المستخرجة.

طرق التخفيف والاحتراق المتقدم

كما أن نظام VCRCI يفتح استراتيجيات جديدة لتحديد درجة الحرارة، وبدلاً من التعطل في توقيت الإشعال - وهو أسلوب مشترك يحفظ سلامة المحرك بتكلفة الكفاءة - يمكن أن يقلل من نسبة الإجهاد التي تصيبه أجهزة الاستشعار من حيث القدرة على كشف الفجر، وينطوي على زيادة سرعة الارتداد في درجة الحرارة، حيث يمكن أن يقترب من الحد الأقصى من الضغط على المحركات، ويحافظ على سرعة الحرق عند وجود أكبر قدر من العمل.

الاستجابة السريعة والخفض التدريجي

وقد يؤدي هذا الجزء المتصاعد إلى الحد من التشريد المصاحب للارتفاع، إلى إعاقة الكفاءة في التصاعد التصاعدي، وذلك بتقليل الخسائر في الضخ والاحتكاك، ولكنه يطرح أيضاً تحديات مع انخفاض معدل الضغط على الغازات المتسارعة، وقلة مخاطر المحركات الصغيرة التي تضعف بسرعة كبيرة أثناء زيادة الحمل المفاجئ، لأن ارتفاع ضغط الأسطوانات يزيد من درجات الحرارة المحيطة بالغاز.

الأثر الحقيقي في العالم: استهلاك الوقود والانبعاثات

ويمكن أن تترجم المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة التي مكّنتها شركة VCR مباشرة إلى استهلاك أقل من الوقود وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. وفي اختبارات اقتصاد الوقود ذات الدراجة الخامسة التي أجرتها وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة، يمكن أن تحقق شركة نيسان ألتيما المجهزة بمحرك VC-Turbo تقديرات مشتركة على أساس أن يبلغ حجمها 29 مبتغاً في منتصف المدة قابلة للتأثر بالنظم الهجينة من قبل عقد من الزمن، مع استخدام نسبة نقل أوتومات الآلية التقليدية وعدم وجود مساعدة كهربائية

وينتج عن انخفاض استهلاك الوقود، عند النظر إليه عبر أسطول، فوائد تراكمية هائلة، وقدرت إدارة الطاقة التابعة للولايات المتحدة أن اعتمادها على نطاق واسع في مجال الغازولين على نطاق واسع قد يقلل من استهلاك المحركات الغازية الوطنية بمئات الملايين من الغالونات سنوياً، وأن التخفيض المرتبط به في ثاني أكسيد الكربون سيبلغ عدة ملايين طن متري، ويساعد المصنعين على الامتثال لمعايير الغاز الحراري المتشددة في أمريكا الشمالية وأوروبا وآسيا.

أمثلة على الصناعة والنشر

أما أهم مثال للإنتاج فهو أن أسرة محرك نيسان - توروبو، التي استحدثت في عام 2018 وعرضت في ألتيما، روغي، وبعض نماذج التفريغ، والمحرك يستخدم آلية متعددة الوصلة ومحركاً كهربائياً محركياً، ويختلف معدل الضغط بين 8:1 و14:1 باستمرار.

وقد قام صناع آخرون بمتابعة عملية VCR من خلال شراكات بحثية وشُعب هندسية متقدمة، وقدموا سلسلة من البراءات تصف متغيراً هدراً يربط بين الحرف الدوار، ويستهدف أسلوباً بسيطاً وخفيفاً في الإصدار، وقد وضع مزودو الخدمات العامة من طراز BorgWarner وأجهزة أخرى من طراز tierone وحدات نموذجية متغيرة للقروض التجارية، حيث يمكن أن تسهل نسبة الضغط

تجاوز تعقيدات التصميم وتكاليفه

وعلى الرغم من مزاياه الحيوية الواضحة، فإن مجلس نواب الوزراء يضيف تعقيدات ميكانيكية وتحكمية لا يمكن تجاهلها، كما أن المفاصل الإضافية والعلامات والمحاضرات تتطلب تصنيعا عالي الدقة، ويتسع الجهد المبذول للتحرير بدرجة كبيرة لأن المحرك الآن له درجة من الحرية خارج السيطرة، ويجب أن يُحسب التثبت من مدى الدوام ما لم يُشكل التراكم في مفاصل التعبئة تحت الملايين من الدورات.

وقد خففت محركات الإنتاج الحديثة من العديد من هذه المسائل عن طريق المحاكاة المتقدمة، وعلم المواد، والضوابط الإلكترونية المتكاملة، ويستخدم نظام المراقبة لمحرك VCR مجهزا مكرسا يرصد كثافة طرق المحركات، والضغط على المضاعفات، ودرجة الحرارة المبردة، والطلب على السائقين على تردد عال، ثم يتحكم في نسبة الضبط التي تبلغ فيها معدلات الارتداد عند عُشر ثاني.

وتظل تكاليف التصنيع عقبة، وتشير تقديرات الصناعة إلى أن آلية VCR تضيف ما يتراوح بين 200 و 400 دولار إلى فاتورة المواد التي يقدمها المحركات مقارنة بوحدة ثابتة للقمع، وأن على صناع السيارات أن يقيّدوا هذه التكلفة مقابل وفورات الوقود المتوقعة خلال فترة الملكية المعتادة، حيث أن معايير الاقتصاد الوقودي تشدّد وتزيد من كفاءة الكهربة في ميزانيات البحوث، فإن عرض قيمة المركبات الذي يُظهر في المقام الأول في المركبات التي يصعب إقبالها على الاقتصاد.

المستقبل

وفي المستقبل، لا يقتصر عمل وحدة بذاته على مجرد عمل، بل يقترن بصورة منتجة بتكنولوجيات أخرى من حيث الكفاءة، وفي تشكيلة مختلطة، يمكن للمحرك الكهربائي أن يسد الثغرات في معدلات تغيرات، وييسر الانتقال، ويتيح للمحرك أن يقضي وقتا أكبر في إطار جدوله الزمني المنافس للكفاءات العالية، وفي حالة الحمولة الهجينة المتناقلة، يمكن للشركة أن تحقق المستوى الأمثل من محرك البنزين، ولكن مع ذلك.

كما أن نسبة الضغط المتغيرة تحمل وعداً بالتكيف مع الوقود التركيبي ومزيج الغاز الطبيعي المثرى من الهيدروجين، ونظراً إلى أن نسبة تفاعل الوقود ومقاومة الضرب تختلف، فإن نسبة الضغط القابلة للتعديل تسمح لمشغل الأسطول بقبول مختلف بطاريات الوقود دون إعادة تكييف المحرك، ويمكن أن تصبح هذه السمات المرنة للوقود مهمة مع انتقال قطاع الطاقة إلى أنواع الوقود ذات القدرة العالية على تحمل آثار منخفضة الكربون التي يجب أن تتعايش معها

خاتمة

أما دورة العمليات، التي تحدها التسوية الثابتة بين تجنب طرق المرور والكفاءة الحرارية، فتبلغ لوحة جديدة عندما تصبح نسبة الضغط دينامية بدلا من مواصفات التصميم الثابتة، وتثبت نسبة التكثيف المكثفة للمركبات الميكانيكية ذات الوجه المضغوط أن المحركات تؤدي إلى زيادة القدرة على التحوُّل، وتزيد من سرعة الحركة الصناعية المتطورة، وتُظهر بعد ذلك زيادة سرعة التسارع في سرعة التسارع.