في هذه المقالة، سنلقي بعض الضوء على الموضوع الذي تمت مناقشته بشدة وهو كيف ولماذا تؤثر نسبة الهواء إلى الوقود وتوقيت الإشعال على القدرة الحصانية.
وهذه هي الطريقة التي سنفعل بها ذلك…
أولاً، سنحتاج إلى بعض البيانات الثابتة. باستخدام سيارتنا الاختبارية، سنقوم بثلاث عمليات تشغيل للطاقة على هيكلنا الديناميكي. في عمليات تشغيل الطاقة الثلاث هذه، لن نقوم بتغيير أي شيء باستثناء نسبة الهواء إلى الوقود المستهدفة.
ومع ظهور هذه البيانات على شاشة الدينامو، سنقوم بتحليل الفرق في الأداء من خلال تغيير لا شيء أكثر من حجم الوقود الذي يتم تسليمه إلى المحرك.
سنقوم بعد ذلك بمجموعة أخرى من ثلاث جولات للداينو، لكن هذه المرة نحافظ على ثبات نسبة الهواء إلى الوقود ونغير توقيت الإشعال بمقدار درجتين.
نسبة الهواء إلى الوقود والقدرة الحصانية
هنا لدينا 3 تشغيلات للداينو، متتالية دون أي تغييرات على أي شيء باستثناء نسبة الهواء إلى الوقود.
لاحظ مدى إحباط مكاسب القوة. أنتجت ثلاث نسب مختلفة تمامًا من الهواء والوقود قوة متطابقة تقريبًا.
فلماذا هذه الضجة الكبيرة حول نسبة الهواء إلى الوقود إذا كانت جميعها تنتج نفس القوة وبشكل عملي أكثر - ما هي نسبة الهواء إلى الوقود التي يجب أن تستهدفها لمحركك؟
لفهم ذلك، نحتاج إلى التعمق أكثر في العلاقة بين نسبة الهواء إلى الوقود والقدرة الحصانية.
انها كلها مرتبطة
ما نراه على الرسوم البيانية الديناميكية يبدو غير بديهي بعض الشيء نظرًا لأن خرج الطاقة لا يرتبط إلا بشكل فضفاض جدًا بكمية الوقود التي نضعها في المحرك. يمكننا أن نفترض بأمان أن هناك نطاقًا واسعًا إلى حد ما من نسب الهواء إلى الوقود التي يمكننا تشغيل هذا المحرك بها وتحقيق نفس القوة تمامًا.
من المؤكد أننا إذا ذهبنا بعيداً في الجانب الغني فسوف نبدأ في فقدان السلطة. من المحتمل أيضًا أن نبدأ في إتلاف شمعات الإشعال ووضع الوقود في الزيت أيضًا.
سنحصل على نتائج مماثلة عندما نبدأ في الضغط على المحرك. سنبدأ بفقدان الطاقة، على الرغم من أنه بدلاً من إتلاف شمعات الإشعال وتخفيف زيت المحرك، فإننا في النهاية سنذيب المكابس ونتسبب في أعطال كارثية للمحرك.
ملاحظة: في محرك مزود بشاحن توربيني مثل المحرك الموجود في سيارتنا الاختبارية، يمكننا البدء في دفع المحرك إلى الخارج بكامل طاقته إلى درجة نخاطر فيها بإتلافه قبل أن نرى أي انخفاض في القدرة الحصانية. خذ كلمتنا لذلك ولا تجربها في المنزل!
وفي الوقت نفسه، داخل المحرك الخاص بك ...
قبل أن نشعل شمعة الإشعال، لدينا خليط من الهواء والوقود على وشك الاندماج في تفاعل كيميائي نسميه "الاحتراق".
الاحتراق ينتج الحرارة. يتمدد الهواء الساخن، لكن في غرفة الاحتراق لدينا، لا توجد وسيلة للهواء للتمدد إلا للأسفل. لماذا أسفل؟ لا يوجد سوى شيء واحد متحرك داخل غرفة الاحتراق وهو المكبس. مع حدوث التفاعل الكيميائي للاحتراق، يتم توليد المزيد والمزيد من الحرارة حيث نقوم بدمج المزيد والمزيد من الهواء مع الوقود داخل الأسطوانة.
في النهاية، نخلق ما يكفي من الضغط لدفع المكبس إلى أسفل التجويف. من هنا، المكبس متصل بالقضيب، والقضيب متصل بالكرنك، والكرنك متصل بـ... الاحتراق!
كيمياء الاحتراق
دعونا نلقي نظرة فاحصة على عملية الاحتراق. كما هو الحال في أي تفاعل كيميائي، هناك نسبة محددة من المكونات التي تضمن حصولنا على تفاعل كامل. لا يتم استخدام الفائض من أي من المكونات.
في حالة المحرك، المكونان اللازمان لإتمام التفاعل الكيميائي هما الهواء والوقود. لكن أحد هذين المكونين محدود – الهواء. لماذا؟ لا يوجد سوى قدر محدود من الهواء الذي يمكننا حشوه في محركنا (إذا لم تكن قد قرأت مقالنا عن الكفاءة الحجمية، فافعل ذلك الآن، لأن الكفاءة الحجمية تدور حول كمية الهواء التي يمكن حشوها في المحرك).
لذلك لدينا كمية ثابتة من الهواء المتاحة لتفاعل الاحتراق لدينا ونستخدم وحدة التحكم الإلكترونية لحساب كمية الوقود التي نحتاج إلى وضعها في المحرك لتتناسب مع الهواء الوارد.
العناصر المتكافئة AFR
إذا عدنا إلى كيمياء البنزين، فإن الكمية المثالية من الوقود التي يجب أن نوصلها إلى المحرك لإجراء تفاعل كيميائي كامل هي تقريبًا 14.7 جزءًا من الهواء إلى جزء واحد من الوقود بالكتلة. نحن نسمي هذا نسبة الهواء إلى الوقود المتكافئة . إذا زودنا المحرك بـ 14.7 جزءًا من الهواء بالضبط مقابل جزء واحد من الوقود، فسيتم استخدام كل من الهواء والوقود بالكامل في التفاعل الكيميائي للاحتراق.
بالطبع، نعلم من تجربتنا أننا إذا فعلنا ذلك عند 15 رطلاً من التعزيز و8000 دورة في الدقيقة، فسنحظى بفرصة جيدة لتفجير المحرك في غياهب النسيان وتناول المكابس لتناول طعام الغداء. ومع ذلك، إذا أضفنا المزيد من الوقود وقمنا بتشغيله بمعدل 12.5 جزءًا من الهواء إلى جزء واحد من الوقود، فسيعمل المحرك بسعادة لمئات الآلاف من الأميال، مما ينتج عنه نفس القوة الحصانية تمامًا.
هنا هو الشيء الغريب بالرغم من ذلك؛ في كلتا الحالتين، ينتج المحرك نفس القدرة الحصانية، لذلك يجب أن يولد نفس الكمية من الحرارة، فلماذا يؤدي أحد AFR إلى ذوبان الأجزاء الداخلية والآخر لا؟
الشعور بالحرارة
كل ذلك يعود إلى هذا الوقود الإضافي. يعمل هذا الوقود الإضافي الذي أضفناه على تبريد غرفة الاحتراق من الداخل مما يمنع تراكم الحرارة الزائدة الذي يتسبب في ذوبان المكابس عندما يعمل المحرك بشكل ضعيف للغاية.
عندما نقول "هزيل جدًا: لا نعني "هزيل القيمة المتكافئة 14.7"، فنحن نتحدث عن ميل النقطة التي تتسبب فيها في تلف المحرك، والتي تكون في المحرك التوربيني أو فائق الشحن قبل 14.7:1 بكثير.
لذلك يمكننا أن نستنتج أن القدرة الحصانية يتم توليدها عن طريق إنتاج الحرارة، ولكن كلما زادت الحرارة التي تنتجها، زادت كمية الوقود التي تحتاج إلى إضافتها لتبريد غرفة الاحتراق.
ولهذا السبب بالضبط، إذا نظرت إلى خريطة نسبة الهواء إلى الوقود المستهدفة في برنامجك، فإن الهدف يصبح أكثر ثراءً مع عدد الدورات في الدقيقة وأكثر ثراءً مع الضغط المشعب.
يصبح الأمر أكثر ثراءً مع عدد الدورات في الدقيقة لأنك تنتج الحرارة في كثير من الأحيان. يصبح أكثر ثراءً مع الضغط المشعب لأن الضغط المشعب يمثل مقدار الهواء الذي يدخل إلى المحرك.
أستطيع أن أرى بوضوح الآن
دعونا نعود إلى الرسوم البيانية داينو. جميع الأشواط الثلاثة لها نسب مختلفة من الهواء والوقود ولكنها جميعها تنتج نفس القوة. أصبح هذا منطقيًا الآن، لأننا نعلم أننا نضع نفس الكمية من الهواء في كل من هذه العمليات، لذا لا يمكننا إلا أن نأمل في إنتاج هذه الكمية من الطاقة من تفاعل الاحتراق.
سيكون الاختلاف الوحيد في هذه الدورات هو في درجات حرارة غرفة الاحتراق الداخلي للمحرك. إذا تمكنا من قياس ذلك فسنجد أن درجة الحرارة داخل الغرفة انخفضت إلى نقطة خفضنا فيها درجة حرارة غرفة الاحتراق كثيرًا، وفقدنا الطاقة بالفعل. الحيلة هنا هي معرفة أي من نسب الهواء والوقود هذه توفر أفضل توازن بين طول عمر المحرك والاقتصاد في استهلاك الوقود وفترات الصيانة.
ملاحظة: في محرك توربو مثل المحرك الموجود في سيارتنا الاختبارية، يجب أن تخطئ في جانب الحذر، وفي ظل الطاقة الكاملة، يجب أن يكون المحرك عند أعلى نسبة ممكنة من الهواء إلى الوقود، مع الحفاظ على أعلى أداء ممكن. سيتم نقل هذا إلى مخاليط أصغر حجمًا مع انخفاض حمل المحرك وعدد دورات المحرك في الدقيقة.
توقيت الإشعال والقدرة الحصانية
بالنسبة للجزء الثاني من العرض التوضيحي، سنقوم بتشغيل السيارة عدة مرات، ولكن هذه المرة لن نلمس نسبة الهواء إلى الوقود - وبدلاً من ذلك، سنقوم بتغيير توقيت الإشعال.
يوضح الرسم البياني الديناميكي بوضوح أن درجتين فقط من تغير التوقيت تسبب تغييرات كبيرة في طاقة الخرج. كان الفرق بين الجرينتين هنا 20 كيلو واط. مع الحفاظ على نفس نسبة الهواء إلى الوقود ونفس التعزيز.
كيف يحدث ذلك؟ إذا لم يتم توليد حرارة أكثر أو أقل ولدينا نفس الكمية من الهواء والوقود في التفاعل، فلماذا ننتج المزيد من الطاقة؟ لفهم ذلك، علينا أن ننتقل من الكيمياء إلى الفيزياء.
دعونا نصبح جسديين
تسمى المجموعة الدوارة للمحرك بهذا الاسم لأن جميع أجزائها تتحرك. الدورية على وجه الدقة. وهذا أمر مهم لأننا إذا طبقنا نفس القدر من الضغط على العمود المرفقي عندما يكون أكثر حول دورانه، فإننا نحصل على مزيد من النفوذ بنفس القوة.
من المهم أن نلاحظ هنا أن الاحتراق لا يحدث على الفور. بمجرد إشعال النار في شمعة الإشعال، ينتشر الحريق على مدى فترة من الزمن. خلال هذا الإطار الزمني، يدور العمود المرفقي ويتحرك المكبس إلى الأسفل. نحن بحاجة إلى السماح بهذا التأخير عند تحديد توقيت الإشعال لدينا.
هذا هو السبب في أنه مع زيادة عدد الدورات في الدقيقة، يتعين علينا بدء الحريق مبكرًا وفي وقت أبكر (أي وضع مزيد من التقدم في خريطة توقيت الإشعال) مما يمنح النار وقتًا كافيًا للانتشار وإنشاء ذروة ضغط الأسطوانة بنفس الزاوية بعد TDC مما يخلق أقصى ميزة ميكانيكية على الساعد.
هناك العديد من العوامل المتنافسة التي تحدث مع توقيت الإشعال، ولا توجد طريقة موثوقة لتخطيط توقيت الإشعال بشكل صحيح دون استخدام الدينامو. يجب أن تكون قادرًا على تلقي تعليقات فعلية في الوقت الفعلي حول ما إذا كان بدء الشرارة مبكرًا أو لاحقًا قد أنتج ميزة ميكانيكية أكثر أو أقل في بيئة ديناميكية.
لكن الرسوم البيانية الديناميكية تظهر بوضوح أنه باستخدام نفس كمية الهواء ونفس كمية الوقود (وبالتالي توليد نفس كمية الحرارة) تمكنا من الحصول على المزيد من الطاقة ببساطة عن طريق تحريك حدث الشرارة إلى وقت اكتسب فيه المزيد من الميزة الميكانيكية .
الحكم
السؤال المطروح في جميع منتديات الإنترنت هو "أيهما أكثر أهمية - توقيت الإشعال أم AFR؟" ومجرد النظر إلى الرسوم البيانية الديناميكية من تجربتنا يمكن أن يغفر لك التفكير في توقيت الإشعال. ولكن إذا شاهدت الفيديو وقرأت هذا المقال بالكامل فسوف تفهم أن الأمر أكثر تعقيدًا من ذلك.
الحقيقة هي أن كلاهما على نفس القدر من الأهمية لأنهما يخدمان أغراضًا مختلفة. يتم استخدام نسبة الهواء إلى الوقود للإدارة الحرارية، وهي موجودة لضمان أن المحرك ينتج الكمية المناسبة من الحرارة للتشغيل. يتم استخدام توقيت الإشعال لتحسين الميزة الميكانيكية ضمن دورة المحرك لإنتاج الطاقة بشكل أكثر كفاءة.
اترك تعليقا