تصميم نظام أوتو سيكل إنجينات للاستخدام في الطائرات العمودية والمركبات الصغيرة

Thermodynamic Fundamentals of the Small-Bore Otto Cycle

هيمنة دورة الأوتو في النظم الصغيرة غير المأهولة تعتمد على الفيزياء الأساسية لكثافة الطاقة، وتخزن الوقود الهيدروكربوني السائل حوالي 000 13 و/كغ، مقارنة ببطاريات الليثيوم بـ 200-300 و/كغ، وهو عامل لا يمكن سده عن طريق إدخال تحسينات إضافية على التخزين الكهروكيميائي وحده.

بيد أن التحدي يتمثل في أن تقليص حجم المثقب يُحدث خروجاً غير خطي عن نماذج حرارة السائبة، حيث يُعدّ ارتفاع معدل سميكة اللهب تقريباً مع الجذر المربع للنشر الحراري، ولكن الفجوة التي تفصل بين المسافة والحجم والتي لا يمكن أن يُشعل فيها اللهب بسبب فقدان الحرارة في حوائز ثابتة تقريباً تتراوح بين 0.1 و0.5 ملم بالنسبة لمزيج الضغط على البنزين.

قوانين التصعيد وآثارها العملية

نسبة نقل المياه السطحية إلى المجلدات

محرك آلي محرك طوله ١,٠ لتر من ٤ اسطوانات محمل ب ٧٥ ملم وهبل ٧٥ ملم

ولا توزع هذه الخسارة الحرارية بصورة موحدة، إذ أن صمامات العادم، وقائد الشعلة، والمناطق المتسخة تشهد تقلبات حرارية محلية تتجاوز 15 ميغاواط/م2، ويجب أن يُعزى التحليل الحراري للعنصر الأبيض إلى درجات الحرارة تبلغ 300 درجة مئوية في سميك رأس المصابيح بثمانية ملم فقط، وما يترتب على ذلك من ضغوط حرارية، عندما يتفاقم بسبب ضغط يبلغ 80 درجة مئوية من سرعة الارتفاع

التصعيد والكفاءة الميكانيكية

إن قوة العصيان لا تحدث بشكل متواز مع التشريد، فمساهمة عصابة البستون في الاحتكاك تعني زيادة الضغط الفعال حيث أن المسافات العالية من قطر المصاب بالملل تتناقص ببطء أكبر من المنطقة الملتوية، وفي حالة الطول 30 مم، فإن توتر الحلبة يتطلب الحفاظ على معدل ضربات حرارية مقبول يقل عن 2 في المائة من المعاطف المتشابكة التي تشكل 45 في المائة

ويصبح طول الوصلات في حد ذاته قيداً في التصميم، ففي محرك مدمج، كثيراً ما تقتصر نسبة الورد إلى الكوكب على ١,٤-١,٦ بسبب القيود الشاملة على ارتفاع مظروف الطاقة، حيث ترتفع العجلات إلى حد كبير في الاتجاه الجانبي على حائط السيلين، وتزيد من الاحتكاك والارتداء، بينما يزيد الطبق الدوار من طول القاع عند مستوى الزوال، ويزيد من الزوايادين.

هيكل غرفة الاجتماعات وتطوير العلم

تحقيق الاستخدام الأمثل لسرعة الذبابة

وفي غرفة صغيرة، تبلغ سرعة اللهب المتينة في خليط البنزين المحتوي على محرك مطاطي في 10 بار و600 كيلو متر/ساعة، وتصل سرعة الحرق إلى 0.5 متر/متر، وبغية استكمال الاحتراق في إطار ثلاث أو خمس أمتار من دورة عالية السرعة، يجب أن يولد المحرك مستويات من الاضطراب تزيد سرعة اللهب الاضطرابات إلى 10-15 متر/متر، ويتحقق ذلك من خلال ارتفاع الفجوة في التاج(10).

وغرفة الاحتراق التي تبلغ درجة حرارة تتراوح بين 25 و30 درجة، تشمل الزوايا الشائعة، لأنها توفر حجما مدمجا يقلل من مسافة السفر بالشعلة بينما يستوعب صمامين ومسدسا حرارة مركزيا، ويجب أن يكون جهاز الإشعال نفسه تصميما مدمجا، يستخدم في كثير من الأحيان خبز مقاس 10 ملم مع طرف مسقط يمتد من 2 إلى 3 ملم في الغرفة ليضعة الثغرة في أعلى خليط.

عملية الشحن المضللة للضوء

وفي ظروف العزلة والخفيضة، تكون الغرفة ممتلئة بمزيج دنيء وبطيء يحترق ببطء وناقص، وتعالج حقنة الشحن المباشر هذا بتوقيت حقن الوقود لخلق غيمة حول رقعة الشرارة بينما يميل الجزء الأكبر من الغرفة إلى الحرق، وتكون نافذة توقيت الحقن ذات درجة عالية من الطول تتراوح بين ١٥ و٦٠ ميلاً ودقيقاً قبل الرش المميت)١(.

ويتوقف نجاح هذه الاستراتيجية على تطابق حدث الحقن مع ميدان التدفق داخل المسطحات، وفي السرعة المنخفضة، فإن نسبة التعثر في التدفق التناوبي الواسع النطاق في الطائرة العمودية إلى سرعة المحرك تحافظ على ما يزيد على 1.5 في منع الوقود من الدائرة القصيرة إلى جانب العادم، وتُستخدم صمامات السحب المحمَّلة أو نماذج السحب المتجهة نحو التركيز في المتغيرات الافتراضية للمحافظة على كثافة السائلة.

مهندس مواد للتقليل من الأمراض الشديدة

التكتل الحراري والتدفئة الأمثل

وتخفض معاطف الزركونيا المستقرة من خلال رذاذ البلازما في الغلاف الجوي إلى سميكات يتراوح وزنها بين 150 و250 ميكرون من فقدان الحرارة من خلال تاج البستون بنسبة 35 إلى 50 في المائة في عملية الدول الثابتة، وتخفض درجة الحرارة المنخفضة من حيث الحرارة إلى 1.2 درجة مئوية بالنسبة لثمانية من الزنزانات إلى درجة حرارة تبلغ 400 درجة مئوية في جميع أنحاء المعاطف

غير أن نمو العمود في المعاطف المجهزة بالبلازما يخلق مسارات صغيرة يمكن أن تبث تحت التحميل الحراري الدائري، مما يؤدي إلى إزالة المحركات ذات الصبغة الحرارية بعد 500 إلى 000 1 ساعة.

معالجة سطح البحر

ويجب أن يقاوم جدار الأسطوانات الاختناق ويرتدى من علبة خاتم البستون بينما يحافظ على احتكاك منخفض على مدى آلاف الساعات، وفي مساحة تبلغ ٣٠ ملم، يضاف خط الحديد ٨٠-١٢٠ غراما ويخلق مضخة للتوسع الحراري يمكن أن تشوه المكسور عند درجة حرارة التشغيل، وتزيل المعالجة السطحية المتقدمة الطينية تماما.

وتشمل العلاجات البديلة طلاءات الرذاذ الحراري من الحديد أو المنديل الكربوني العالي التي يمكن تطبيقها على السطح المغلي باستخدام شعلة بلازما متناوبة مضافة عبر فتحة الرفوف، ثم تغطى المعاطف بالهضان مع قيم الرسوب تحت ثلاثة ميكرونزات، مما يخلق خزانات نفطية في الوادي بينما يحافظ على سطح سلس للوصلات.

هيكل نظام الوقود لأغراض الحقن المباشر

ارتفاع الضغط والتكامل في مجال السكك الحديدية

ويقتضي التعبئة لنظام الحقن المباشر في ظرف 20 سي مضخة وسككك الحديدية ومحقنات لتلائم الحيز الذي يشغله عادة غطاء المتناول والصمام، كما أن مضخات السطو ذات الدفع الفردي ذات قطر قطره 4-6 ملم، وضربة تبلغ 3-4 ملم يمكن أن تولد 150 قطعة من العجلات التي تبلغ ضغطها 0.3 إلى 0.5 نمل في الطور 5.

فالسكك الحديدية نفسها هي أنبوب فولاذي لا يصق له حجم داخلي يتراوح بين 2 و3 س، مصمم لإلغاء أحواض الضغط من المضخة وحدث الحقن، ويعطي مستشعر ضغط السكك الحديدية الذي يبلغ طوله 1 مليمتر ثاني معلومات عن وحدة النقد الأوروبية من أجل التحكم في الضغط في الضغط في الهواء المغلقة، ويوضع مقعد الحقن مباشرة في رأس المصابيح، مع وجود ضغط على الكوكب.

إعداد الطلاءات والاختبارات

أما بالنسبة لمحرك التراكم البالغ ٠٠٠ ٨ ريم، فإن مدة الحقن بكاملها تبلغ حوالي ٢ مليمتر من الثانية، مما يوصل ١٢ إلى ١٥ مليغرام من الوقود إلى ٦ إلى ٨ ثقوب محركة الليزر بعلامات تبلغ ٠,٨-٠,١٢ مم، ويحتوي نمط الرش على قناة مائية تبلغ من ٦٠ إلى ٧٠ درجة، مما يوفر توزيعا متساويا على البوليسترون.

وتتكون التاج المسكون بطبق ضحل، يبلغ عمقه عادة ٦-٨ ملم و ١٤-١٨ ملم في قطره، ويقود الرذاذ نحو شرارة الشعلة بينما يمنع الوقود من التراكم على أرض البوليس، ونسبة البول إلى الزور هي بارامتر حرج: فالبوليس يزيد من مسافة حرارة اللهب، بينما يفشل أحد النوافذ البصرية في احتواء الرش والدلائل.

تصميم نظام البرمجيات لعملية التوجيه الشامل

Dry Sump Scavenging and Foam Management

أما بالنسبة للمحركات التي لا تعمل بالطائرات بدون طيار والتي يجب أن تعمل في رحلات جوية محجوبة أو مناورة عدوانية، فإن المضخة التقليدية المبللة بعلامة مشتعلة ستتضور جوعاً في غضون ثوان، ويستخدم نظام الضخ الجاف مضخة للدبابات المهددة لسحب النفط من مضخة منخفضة في الحفر وتعيده إلى صهريج نائي، ويزيد حجم المضخة الزيتية بنسبة تتراوح بين 50 و 100 في المائة عن طاقة الضغط الذي يستعمله حتى في ضماناً.

ويجب أن يصمم خزان النفط نفسه باستخدام البافلات الداخلية والصمام المضاد للسيفون لمنع النفط من التدفق عبر خط التهوية أثناء الطيران المحفور، ويتبع الأنبوب المرن المثقب بعجلة معدنية مقطعة النفط حيث يهتز، ويحتفظ بإمدادات النفط المستمرة إلى مضخة الضغط، ويتكون حجم الصهريج من 150 إلى 250 سم مقابل 20 كيلو متراً، مما يوفر تداولاً ثابتاً يكفل تداول النفط.

النفط والعاملات ذات القيمة المنخفضة

والزيوت التقليدية SAE 10W-30 لها حساسية تبلغ حوالي 10 سنتات من وزن الجسم عند 100 درجة مئوية، مما يؤدي إلى خسائر في الضخ وإلى الاحتكاك الهيدروليكي الذي يمكن أن يقلل من كفاءة المحركات الحرارية بمقدار 2-3 نقطة مئوية في محرك صغير، كما أن الزيوت الاصطناعية في نطاق يتراوح بين 0 و8 و16 درجة مئوية، مع انخفاض مستويات حرارة المحرك بنسبة 5 إلى 7 مئوية في المائة من العمر، مما يؤدي إلى الحد من هذه الخسائر.

وتصاغ الزيوت بمخزونات قاعدية محترمة توفر مؤشرا عاليا للخصوبة وعمود طبيعي، مما يخلق فيلما زائفا على سطح معدني حتى في حالة انخفاض في درجة الحرارة، وتخفض المواد الإضافية مثل ثنائي المنبوذ ومركبات التزحلق العضوي إلى نسبة 0.04 إلى 0.06 في نظام تفكك اللوزات التي تحدث في خواتم التلويث.

مراقبة الحمل والاحتراق في المحركات الصغيرة

الإشعال الاستباقي والإشعال

وتنتج نظم الاشتعال الاسترشادية المستخدمة في محركات السيارات فترة شرارة تتراوح بين ١ و ٢ مليمتر و ٢ مليمتر، ولكنها تبطأ فترة ارتفاع الفولطية، مما يجعلها عرضة لفشل الإشعال في بيئة الحرق العالية والكثافة المتغيرة في غرفة الاحتراق الصغيرة.

(أ) استخدام دائرة الاستشعار عن بعد لثبات الشارة كشرطي تطبيق تحيز يتراوح بين 80 و100 في الفجوة بعد انتهاء عملية التصريف، حيث أن التدفقات من خلال الغاز المؤين تناسب تركيز الأيون، الذي يتزامن مباشرة مع نسبة التكافؤ المحلية ودرجة الضبط عند الحرق.

مكافحة الوقود التكيفي مع أجهزة الاستشعار ذات النطاق العريض

ويمكن أن تتغير نسبة الوقود الجوي في محرك صغير مع تغيرات في الارتفاع، أو تحميل مرشحات الهواء، أو تركيب الوقود.

ويجب أن يُعزى التأجيل في النقل بين حدث الحقن وقراءة أجهزة الاستشعار، الذي يتراوح بين 200 و400 ميلي ثانية في سُبل التدفق الاعتيادية، والتحكم القائم على النموذج باستخدام مُحدِّد للفيزياء لتركيزات الأوكسجين من الغاز العادم يمكن أن يقلل هذا التأخير إلى 50 إلى 100 ميل من الثانية، مما يتيح سرعة الاستجابة خلال التغييرات في سرعة التدفق، حيث يسمح تشغيل المحركات المتحركة التي تُبقية على المحركات.

طرق التصنيع للمكونات الهندسية للاتفاق

تصنيع المعادن من أجل المعادن الأرضية المعقدة

ويمكن أن ينتج صمامات مسحوق لازر مع سبيكات الألومنيوم مثل AlSi10Mg رؤوساً من الأسطوانات ذات قنوات التبريد المتكاملة التي تتبع خطوط التدفق الحراري، باستخدام مسارات التبريد المطابقة التي يتعذر استحداثها بالحفر التقليدي أو الصبغ، وهذه القنوات، التي تشكل قطراً يتراوح بين 1 و2 ملم، وبعد انحسار حجرة التبريد 30 درجة، تقلل درجة الحرارة عند العادل العادم.

ولربط القضبان الخاضعة لتحميل المزدحم بالتقلبات الدورية، ينتج الشعاع الإلكتروني من مسحوق تي-6Al-4V مكونات ذات قوام متقطع قدره 100 إم بي أي، وعمره الدهون يتجاوز 10 ملايين دورة في فترات الانهيار الإجهادي المتناوبة للـ 400 إم بي أي، ويكتسي التوجه البناء أهمية حاسمة: إذ أن للقضبان المطبوعة قوة أعلى من تلك التواؤم.

وتظل تكلفة التصنيع الإضافي حاجزاً للإنتاج العالي الحجم، ولكن بالنسبة للمجلدات التي تطبعها محركات المركبات غير المأهولة إلى آلاف المحركات سنوياً - إلغاء تكاليف الأدوات والقدرة على التصاميم المغلقة تجعل من سرعة نجاحها اقتصادياً، إذ تقدم شركات عديدة الآن خدمات ذات مستوى فضائي جوي ذات أحجام بناءة تبلغ 250 كيلوغراماً من الـ 300 ملم، وهي ما يكفي لإنتاج مجموعة كاملة من المحركات.

عمليات الاختراع والصياغة المتقدمة

وبالنسبة للإنتاج العالي الحجم، فإن الرمال الدقيقة التي تُلقي بصلوف الرمل ذات الصبغة الثالثة دال تسمح بإضافة كميات كبيرة من الجيولوجيا الداخلية المعقدة دون أن تُنفق على المولدات المعدنية، ويمكن لب الرمل أن يدمج ممرات النفط والمبرد وحتى المدرج المتحصل، في صورة واحدة، ويُعدّ الاختتام السطحي لتصويب الرمال بدقة عادة ما يتراوح بين 6 و12 ميكرونز را، ويحتاج إلى ذق ثانوي على المجلة سطحية.

وينتج عن العزلة المغلقة من السبيكات الألومنيوم ربط القوارض بتدفق الحبوب الذي يتبع محنة المكونات، مما يؤدي إلى زيادة في القوة الدهنية بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة عن القضبان الآلية من نفس السبيكة، كما أن التعبئة تصقل هيكل الحبوب، وتخفض حجم الحبوب من 50 إلى 100 ميكرونز في الصبغة إلى 5-20 مجهرا في كل من القوتين.

إدماجها في الأطقم الجوية ومنابر المركبات

عزلة اليقظة والترابط الهيكلي

وينتج محرك أوتو الذي يتكون من خلل أولي يعادل الكتلة المتبادلة التي تصيب رقعة الحفر المربعة في مركب السرعة الشهيرة، وبالنسبة لجمعية مسرعة تبلغ 100 غرام، مع ضربة تبلغ 28 ملم تدار عند 8000 ريم، فإن قوة الخلل تبلغ حوالي 1000 نون مقابل وزن المحرك الكامل، وهذه القوة، ما لم تلغ، تُحدث تركيبة سريعة للجهاز.

كما أن المحركات الكهربية المتحركة التي تبلغ مساحتها 200-400 نون/متر في الاتجاه الرأسي و100-200 ن/م في الاتجاه الأفقي توفر العزلة عند الترددات فوق 100 هرتز، ولكن نظام التركيب يجب أن يستوعب أيضاً رد فعل المحركات المتحركة التي يمكن أن تصل إلى 5-6 نانوتر في ترددات كاملة.

نظام التكامل بين النظم الحاسوبية

ويجب أن يوفر نظام المتناول الهواء النظيف والملوّث مع التقليل إلى أدنى حد من انخفاض الضغط والضوضاء، أما بالنسبة للطائرات بدون طيار التي تعمل في بيئات غبارية، فإن مرشحا متعدد المراحل له جهاز تأطير قبل تشغيله، يزيل 90 في المائة من الجسيمات فوق خمسة مجهرية، ويتبعه عنصر من الورق أو الرغاوي، ويضمن حياة المحرك لمدة 500 ساعة أو أكثر.

نظام العادم يجب أن يوقف الضوضاء بينما يحافظ على كفاءة التدفق، يخفض مضخة غرفة التوسيع مستويات الضغط الصوتية إلى 85-90 درجة مئوية عند 1 متر، يمتثل معظم المعايير التنظيمية، وبالنسبة للتطبيقات العسكرية المنخفضة الصلاحية، يمكن توجيه العادم من خلال مقسم حراري يبرد الغازات قبل إطلاقها، ويخفض التوقيع بالأشعة تحت الحمراء، ويضع منفذ العادم في موقعه لتجنب إعادة الضغط على الغازات الحرارية في التحلل

الهندسة الكهربائية الهجينة للمرور والمرور

الموازية هيبريون من أجل منابر متعددة الرواد

في تشكيلة هجينة موازية للطائرات المتعددة الأطقم، يقود محرك أوتو مولداً يزود المحركات بالطاقة من خلال حافلة مشتركة من العاصمة، مع مجموعة بطارية صغيرة توفر طاقة عابرة للمناورات، ويعمل المحرك بسرعة ثابتة تبلغ 6500-7000 ريم، حيث يحقق استهلاكاً من الوقود المحدد ببراكات تبلغ 280 إلى 300 ميكروغرام/ساعة، ويستهلك عادة ما يتراوح بين 60 و 60 في المائة من الوقود.

ويحد ِّد خوارزمية إدارة الطاقة نقطة الطاقة المحركية على أساس حالة البطارية ومرحلة الطيران، وخلال الرحلة البحرية، يوفر المحرك ٢ كيلوواط ثابتا بينما تحمل البطارية على ٢٠٠-٣٠٠ دبابة، مما يبقي البطارية فوق ٥٠ في المائة من الشحن، وتوفر البطارية، خلال مناورة تسلق أو هوفر، طائرة إضافية من نوع ١-٢ كيلوواط لمدة ٣٠-٦٠ ثانية، ثم تعاد تغذية البطاريات من ٥ إلى ١٠ كيلو مترات.

Conbrid Cell Fuel Cell with Otto Engine Backup

محركات محطة ارتفاع عالية المستوى تُجمع خلية وقود الهيدروجين لرحلة بحرية منخفضة الطاقة مع محرك مُتعدّد من طراز Otto للتسلق العالي والهبوط في حالة الطوارئ، وفي الساعة 20000، يمكن أن تتجاوز كفاءة خلايا الوقود 60 في المائة، وتوفر طاقة محددة تبلغ 500-800 Whkg عند النظر في نظام تخزين الهيدروجين.

The engine in such a hybrid operates only for 15–30 percent of the mission duration, but the engine controller must still manage the variable environmental conditions at altitude—ambient temperatures of -60°C and absolute pressures of 50 mbar. The cold-start challenge is met with a preheating system that uses waste heat from the fuel cell and an electrically heated glow plug in the intake manifold. The fuel injection strategy compensates for the low air density by using a dual-turbocharger system with an electric motor assist that maintains boost pressure regardless of ambient conditions. These systems remain experimental, but the thermal and mechanical integration issues that emerge from the combination of fuel cell, hydrogen storage, and Otto engine will likely define the next decade of compact engine research.

بروتوكولات الاختبار والتقدير الخاصة بالميثاق

اختبارات الشوك الحرارية والطول

قبل نشرها، يخضع محرك أوتو المدمج لاختبار الصدمة الحرارية الذي يدور بين العبث والحمولة الكاملة كل 30 ثانية لدورة واحدة، ويحفز عمليات التصفية المتكررة ويتسلقها نظام لا يمكن أن يتردد على الطائرة بدون طيار أثناء مهمة عادية، وترتفع درجة الحرارة عند صمامات العادم من 200 درجة مئوية عند خط الطول إلى 650 درجة مئوية عند الحمولة الكاملة في 5-10 ثوان.

ويستغرق تشغيل المحرك 500 ساعة كاملة، حيث يعمل المحركات بنسبة 90 في المائة من عروق الذروة عند 8000 ريم، ويُمزق المحرك كل 50 ساعة، ويُعادل المحركات، ويُحدَّد المكون الحرج - المحتويات والصمامات - الصمامات - المثبتة للارتداء، ويجب ألا تزيد الفجوة في تصميم الخواتم بنسبة تزيد على 50 في المائة من قيمتها الأولية تتراوح بين 0.15 و0.20 ملم، ويجب أن تبقى التطهير 0.2 ملم.

دائرة العزل والاختبار البيئي

المحرك مُعد على مُعدّل داخل غرفة بيئية يمكن أن يُحاكي الارتفاعات من مستوى البحر إلى 10 آلاف متر. وعلى ارتفاعات عالية، فإن كثافة الهواء المخفضة تقلل من كفاءة الحجم، وتتطلّب إعادة تكييف استراتيجية الحقن والاشتعال، وتُحدّد سلسلة الاختبارات ناتج الطاقة، واستهلاك الوقود المحدد، وتُعادل الانبعاثات عند ارتفاعات 0,000,6000,000 ملليمتر.

ويستخدم اختبارات العجلات في الساعة 30 درجة مئوية نفس الغرفة، مع وجود المحرك والبطارية قبل بلوغ درجة حرارة الهدف لمدة 12 ساعة قبل الترتيب، ويتحقق الاختبار من أن المحركات الأولى التي تشكل منعطفاً حركياً يتراوح بين 200 و400 فروساً - يمكن أن تتغلب على زيادة التألق النفطي وأن نظام الإشعال يمكن أن ينتج شرارة من خلال فيلم النفط السميك في التناوب الكهربائي(5).

ويستمر تطور محرك دورة Otto المدمجة، من خلال تقارب المواد المتقدمة، ونظم الرقابة الدقيقة، والتصميم الابتكاري، استجابة لمطالب النظم غير المأهولة والمركبات الخفيفة الوزن، وتواجه التحديات الهندسية لنقل الحرارة، والاحتكاك، واستقرار الحرق بنفس كثافة صناعة السيارات التي تطبقها على تحسين الكفاءة في أواخر القرن العشرين، وهي نتيجة لأسرة محركية أكثر هدوءا وأنظفا وأكثر كفاءة من سابقها.