ومحركات الاحتراق الداخلي هي آلات معقدة تحول الوقود إلى طاقة آلية من خلال سلسلة من العمليات الدينامية الحرارية، ويكتسي فهم هذه العمليات أهمية حاسمة في تحقيق الأداء الأمثل للمحركات وكفاءتها وانبعاثاتها، وتميل هذه المادة إلى تحليل دورات الدينامية الحرارية في محركات الاحتراق الداخلي، مع التركيز على المبادئ والتطبيقات الأساسية.

ما هو "السيرموديناميك" ؟

إن دورة الدينامية الحرارية هي سلسلة من العمليات التي تنطوي على تحويل الحرارة إلى عمل والعكس بالعكس، وفي سياق محركات الاحتراق الداخلي، تتألف الدورة من مراحل مختلفة من الضغط والحرق والتوسع والعادم، وأكثر الدورات الدينامية الحرارية شيوعا المستخدمة في محركات الاحتراق الداخلي هي:

  • Otto Cycle
  • ديزل سيكل
  • Atkinson Cycle
  • ميلر سيكل

"عُلم "أوتو

دورة أوتو هي الدورة المثالية الدينامية الحرارية لمحركات البنزين، وهي تتألف من أربع عمليات رئيسية:

  • Isentropic Compression:] The air-fuel mixture is compressed adiabatically, increasing its temperature and pressure.
  • Isochoric Heat Addition:] Combustion occurs at constant volume, causing a rapid increase in pressure and temperature.
  • Isentropic Expansion:] The high-pressure gases expand adiabatically, performing work on the piston.
  • Isochoric Heat Rejection:] The exhaust gases are expelled at constant volume, declining pressure and temperature.

كفاءة دورة أوتو

ويمكن التعبير عن كفاءة دورة أوتو باستخدام الصيغة التالية:

= 1 - 1/ r (غاما-1)]

وحيثما تكون ] هي الكفاءة الحرارية، r] هي نسبة الضغط، و غاما ] هي النسبة الحرارية المحددة لسوائل العمل، وتؤدي معدلات الضغط المرتفعة إلى زيادة الكفاءة، ولكنها تتطلب أيضاً منع حدوث ارتفاع في السائل.

"سيكل الديزل"

دورة الديزل هي دورة الديناميكية الحرارية المستخدمة في محركات الديزل، التي تتسم بارتفاع نسبة الضغط عن دورة أوتو، والعمليات الرئيسية في دورة الديزل هي:

  • Isentropic Compression:] Air is compressed adiabatically, resulting in high temperature and pressure.
  • Isochoric Heat Addition:] Fuel is injected into the hot compressed air, igniting spontaneously.
  • Isentropic Expansion:] The combustion gases expand, doing work on the piston.
  • Isochoric Heat Rejection:] Exhaust gases are expelled at constant volume.

كفاءة دورة الديزل

ويمكن حساب كفاءة دورة الديزل باستخدام الصيغة التالية:

= 1 - 1/ r (غاما-1) * (غاما/ (غاما - 1)) ]

وتبين هذه الصيغة أن دورة الديزل تحقق كفاءة أعلى من دورة أوتو بسبب ارتفاع نسب الضغط فيها وطبيعة عملية الاحتراق.

حلقتا أتكينسون وميلر

إن دورتي أتكينسون وميلر هما اختلافات في الدورات التقليدية التي تهدف إلى تحسين الكفاءة وخفض الانبعاثات، وتستخدم هذه الدورات نهجا مختلفا في الاختراق والتوسع في السكتات:

  • Atkinson Cycle:] Features a longer expansion beat than the compression beat, allowing for more complete combustion and higher efficiency.
  • Miller Cycle:] Similar to the Atkinson cycle but employs supercharging to increase intake pressure, enhancing performance.

استحقاقات آلاتكينسون وميلر سيكل

وتتيح كلتا الدورتين عدة مزايا:

  • تحسين الكفاءة الحرارية مقارنة بدورة أوتو.
  • انخفاض استهلاك الوقود وانبعاثاته.
  • أداء أفضل في التطبيقات الهجينة

التطبيقات والاعتبارات العالمية الحقيقية

ويعتبر فهم دورات الدينامية الحرارية أمرا أساسيا للمهندسين والمصممين في صناعة السيارات، وتؤثر عوامل مختلفة على أداء محركات الاحتراق الداخلي، بما في ذلك:

  • نوع الوقود ونوعيته
  • تصميم المواد الهندسية
  • شروط التشغيل والشحن
  • لوائح ومعايير الانبعاثات

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا الهندسة

ومع تقدم التكنولوجيا، يستمر التركيز على تحسين دورات الدينامية الحرارية، وتشمل الابتكارات ما يلي:

  • مركبات مهجورة وكهربية تجمع بين محركات الاحتراق الداخلي وأجهزة الدفع الكهربائي
  • نظم حقن الوقود المتقدمة لتحسين كفاءة الاحتراق.
  • التخريب و الإشراف على تحسين أداء المحرك

خاتمة

ويوفر تحليل دورات الدينامية الحرارية في محركات الاحتراق الداخلي معلومات قيمة عن سيرها وكفاءتها، ومن خلال فهم المبادئ التي تتخلل دورات مثل أوتو وديزل وأتكينسون وميلر، يمكن للمهندسين تصميم محركات أفضل تلبي متطلبات النقل الحديث مع التقليل إلى أدنى حد من الأثر البيئي.