Table of Contents
فيزياء التنميط: المبادلات الأساسية
وتقليص عدد المحركات التي تعمل في دورة أوتو لمواجهة قوانين التصعيد الصارمة التي تحكم الديناميات الحرارية، وديناميات السوائل، ونقل الحرارة، مع انخفاض نسبة المحركات من السطح إلى الحجم، مما يؤدي إلى انخفاض في عدد المحركات من حيث سرعة الارتداد إلى نحو 0.5 سم، بينما يمكن أن يتجاوز عدد المحركات المتحركة 10 مم 20 سم - 1.
التحديات الرئيسية في مجال التصميم
١ - القدرة على التحمل في ميكرو - سكال
ومع ذلك، فإن تحقيق انتشار للشعلة يمكن الاعتماد عليه وتكراره في حجم صغير هو أكثر العقبات تعقيداً، وفي المحركات الكلية، فإن الاضطرابات والثباتات تُعزز سرعة اللهب؛ وفي نطاقات صغيرة، لا تزال التدفقات مضاءة، حيث تُظهر سرعة اللهب المتأصلة في الهواء الطلق بطيئة للغاية بحيث تُصبح الاحتراق الكامل في غضون فترة قصيرة من الحمل عند مقياسات.
2- الإدارة الحرارية وسحب الحرارة
ومع ارتفاع نسبة الحرارة من السطح إلى الحجم، فإن المحركات الصغيرة ترفض قدرا أكبر بكثير من الحرارة إلى المحيط، وفي حين أن هذا قد يبدو مفيدا للتبريد، فإنه يسبب مشاكل حادة: فالجدران المسببة للتوتر السطحي تصبح باردة إلى درجة لا تحتمل التهرب من أفلام الوقود، مما يتسبب في حدوث زيادة حرارة في التدفق الحرفي، ويزيد من حدة التقلبات في درجات الحرارة المنخفضة، ويضيف إلى ذلك الاحترار في الأسواق.
3 - القدرة على التصنيع والتسامح في الجمعية
كما أن إنتاج أجزاء من المحركات ذات السمات المقيسة في الميكرون يتطلب تقنيات تتجاوز الذقن التقليدي، وقد تكون تصاريح الرش من بيتون إلى الملين منخفضة حيث تبلغ مساحتها ٢-٣ ميكروغرام للحفاظ على الضغط دون التخدير، ويستلزم تحقيق هذا التشويش في جميع مراحل الإنتاج تحويل الماس إلى درجة عالية من الدقة، وتشوه التصريف الكهربائي، وتلوث المصابيح المجهرية.
4 - تسليم الوقود وتثبيت الهواء
ولا يمكن للسيارات التقليدية أن تستهلك الوقود بصورة سليمة عند معدلات تدفق الميزان، وقد لا يستهلك محرك أوتو صغير سوى بضعة غرامات من الوقود في الساعة، مع إطالة أمد الحقن في النطاق الثاني الجزئي، ويستلزم تحقيق خليط من الوقود المحتوي على التخدير، رغم وجود عوامل تحول كهربائية متطورة، وذلك على أساس عوامل متعددة من حيث الاستهلاك من الوقود المغناطيسي أو الإحداثي.
5 - مراقبة التأشيرات والإنذار
كما أن وجود محرك مصغر يعمل في ٠٠٠ ٢٠ ريم بري ينتج عنه ذبذبات شديدة عالية التردد، كما أن انخفاض الكتلة من المحرك يعني أن قوى صغيرة غير متوازنة يمكن أن يولد قدرا كبيرا من الكميات المقلقة، وفي أجهزة محمولة يمكن أن تفصل بين الاتصالات الداخلية، أو تلحق الضرر بالأجهزة الالكترونية الحساسة، أو أن تخلق خبرة غير مقبولة لدى المستعملين.
6- اللبس والدقة تحت إشراف الآلية الرفيعة المستوى
كما أن محركات التحلل المصغر يجب أن تدور بسرعة كبيرة لاستخراج طاقة ذاتية من تشردها الصغير، وقد يحتاج 5 محرك للسيارات إلى تشغيل 000 25 ريال برازيلي لإنتاج 100 واط، وفي هذه السرعة، فإن حلقات البستون التقليدية تعاني من التفريغ والهبوط، وتواجه المواد متطلبات ثلاثية شديدة: درجات الحرارة العالية، ودرجة التزليق القصوى، وكميات المعاطف.
الابتكارات المادية للمكونات العالية الأهمية، والوزن الخفيف
ويدل التحول من الألومنيوم والخليط إلى السيراميات والمركبات ذات الأداء العالي على نقطة تحول في تصميم المحركات الدقيقة، كما أن نيتادي السيليكون وكاربيد السيليكون يجمع بين مقاومة الصدمة الحرارية الاستثنائية ذات الكثافة المنخفضة، مما يجعلها مثالية لخطوط الإسطوانات والطبقات في بيئة محركات صغيرة، ويمكن أن تعمل هذه المواد ذات الصبغة الحرارية التي تتجاوز ٠٠٠ ١ خام دون إعادة التب.
الصناعة المتقدمة وتقنيات الجمعية
الصناعة التحويلية
ويسمح طباعة المعادن، ولا سيما عن طريق دمج أسرة مسحوق الليزر، للمهندسين بخلق قنوات تدقيق داخلية، وكميات متطابقة من الموانئ، وهياكل من الطرازات التي يتعذر استخدامها في صنع الآلات، ويمكن طباعة رأس الخليط المصغر بمبادلات حرارية متكاملة ومرور للوقود، مما يقلل من عدد أجزاء المحركات المسربة ويزيلها أيضا من المحركات الأحادية.
MEMS-Based Micromachining
وعلى الرغم من أن تقنيات اختلاق النظم الكهروميكانيكية الصغيرة، التي وضعت أصلاً لشبه الموصلات، يجري تكييفها لمكونات المحرك، ويمكن أن ينتج عن ذلك استخدام أجهزة الاستنشاق العميقة التي تعمل على أساس الحرق بواسطة النسيج، كما أن هناك استخداماً لأجهزة التحكم في حجم الاختراق المغناطيسي، كما أن مشروع " ميكروتش " الذي أظهر بشكل مشهور وجود محرك للسيارات الارتوسفيرية تعمل على أساس الصنع، قد اكتسب درجة حرارة.
اللحام واللحام والتحق
فالتجمع الدائم للمحركات الصغيرة يعتمد في كثير من الأحيان على اللحوم المصغرة، ويمكن لهذه التقنية أن تفرق المعادن مثل اسطوانات الفولاذ غير الملموسة التي تدمج في رأسها دون إدخال مواد مشبعة يمكن أن تغير التطهير، كما أن الحد الأدنى من المناطق المتأثرة بالحرارة يحافظ على دقة أشكال التحلل قبل التشريح.
الضوابط الإلكترونية والتكامل بين أجهزة الاستشعار
Micro-ECU and Adaptive Ignition
إن محرك أوتو الصغير يتطلب نظاماً عالي الذكاء للتحكم في الطاقة يعمل بكفاءة عبر أحمال مختلفة وظروف بيئية، كما أن وحدات التحكم الإلكتروني الحديثة تعمل على إحداث حلقات مجهزة سريعة وأجهزة محمولة نموذجية لتكييف توقيت الإشعال، وضخ الوقود، وحتى التقلبات المتغيرة في الوقت الحقيقي، مثلاً، فإن تكنولوجيا الاستشعار بالأيون تستخدم محركاً متطوراً
In-Situ Diagnostics
ويزيد جهاز الاستشعار المتحرك من زيادة الوعي الذاتي للمحرك، إذ أن محركات الضغط الصغير المجهزة في رأس الإسطوانات توفر آثار ضغط الاحتراق، التي يمكن استخدامها لتقدير حالات التسرب المغناطيسي والتشخيص غير المكتملة، وتنتج عن ذلك أجهزة الاستشعار بالأشعة السينية، وتنتج عنها أجهزة التكتل المغناطيسية التي تستخدم أجهزة الاستشعار اللاسلكية، وتضع علامات على نقاط التكليل الحرارية، وتخلق تحدي الصيانة التنبؤية.
دراسات الحالات: نماذج أولية وموجزات
برنامج ميكروينجين التابع لوزارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية
وفي أواخر التسعينات وأوائل العقد، مولت وكالة مشاريع البحوث المتقدمة التابعة للولايات المتحدة مشاريع طموحة لتطوير محرك صغير جداً يمكن أن يحل محل البطاريات في المعدات المحمولة، وأظهر الباحثون في الشركات والجامعات محركات مزودة بمقياس حراري يتراوح بين 0.1 و10 سم، باستخدام الوقود مثل الهيدروجين وJP-8، بينما لم تكن نظم الطاقة المتكاملة كاملة ناضجة.
البحوث الجامعية والمنافع التجارية
وقد ينتج فريق بحوث الاحتراق التابع لجامعة كاليفورنيا محركاً دوائياً صغيراً من طراز Wnkel محركاً ذا قيمة حرارية صغيرة، حيث يُستخدم فيه أكثر من 1 كيلوواط/كغ، بينما يُعد عدد من المحركات الكهربائية غير المزودة ببطارية ذات سعر عجلتين مصغرين، ويُظهر 150 مولداً دائماً، ويُثبت أن محركات دورة المياه الصغرى قد تُستخرج
التوقعات المستقبلية والحلول الناشئة
Hydrogen Micro-Combustion
إن سعة محرك الهيدروجين وسرعته العالية تجعله وقودا مثاليا لمحركات أوتو الصغرى، ويمكن أن يحرق بصورة موثوقة في أحجام صغيرة، ويزيل حرقه النظيف انبعاثات الجسيمات، وتحديات الصهاريج ذات الطاقة الكهرمائية العالية القدرة على التخزين، أو الهيدروجينات المصغرة التي يمكن التخفيف منها بواسطة نظم الحرق الصغيرة.
Hybrid Micro Power Systems
وبدلاً من استبدال البطاريات، يعمل محرك أوتو الصغير على أفضل وجه كشريك في نطاقات النطاق أو في شكل هجين، وفي هذا النظام، يعمل المحركات بصورة متقطعة في أكثر نقاط التشغيل كفاءة لشحن البطارية الصغيرة أو المحركات السائلة التي يمكن أن تخفف من حجم الطاقة الكهربائية، وهذا الترتيب يؤدي إلى إزالة المحركات الكهربية من الحمولة الفورية، مما يتيح استخدام محرك الاحتراق في استخدامه كثيف.
النواحي البديلة
وفي حين أن دورة أوتو لا تزال موضع التركيز، فإن بعض الباحثين يستكشفون دورة أطكنسون التي تتاجر بطاقتها القصوى من أجل زيادة الكفاءة، أو دورة ميلر التي تستخدم توقيت الصمامات المتغيرة للحد من أعمال الضغط، وبالنسبة للمحركات الدقيقة، فإن مفهوم المحركات المتحركة ذات الطراز الأول هو أمر جذاب للغاية لأنه يزيل التصميم الرخيص ويربط الدوار ويقلل من معدلات الاحتراق ويمكِّن من ارتفاع معدلات الرسوب.
أدوات المحاكاة والنمذجة المتقدمة
كما أن تصميم المحركات الصغيرة يدفع حدود ديناميات السوائل المحوسبة ونمذجة الاحتراق، ويجب أن تقترن هذه المحركات الدقيقة المفصلة بالتحول الحرجي إلى التأثيرات التغذوية للجدارات، وأن يستخدم المهندسون الآن أطر محاكاة متعددة النطاق تحل كيميائي اللهب، مع استيعاب نماذج التكييف الحرارية الضرورية.
إن السعي إلى التقليل من محرك دورة أوتو ما زال يضغط على حدود الديناميكية الحرارية وعلم المواد وهندسة الدقة، وكل عقبة من محركات اللهب إلى محرك حراري متطور، وهى تحفز على إيجاد حلول ابتكارية غالبا ما تجد تطبيقات تتجاوز الطاقة المحمولة، مع تطور المحركات الخفية الصغرية والهيجينة