تعد الكفاءة الحرارية للمحرك أحد المؤشرات المهمة لتقييم أداء المحرك. كلما زادت الكفاءة الحرارية للمحرك، زادت التكنولوجيا المتقدمة. إذن ماذا تعني الكفاءة الحرارية للمحرك؟ دع الجميع، وخاصة الأصدقاء الذين هم على وشك شراء سيارة، يلقون نظرة عليها.
صورة
تشير الكفاءة الحرارية للمحرك إلى نسبة حرارة الطاقة الفعالة للمحرك إلى حرارة الوقود المستهلك في وحدة الزمن. بكل بساطة، هذا يعني مقدار الطاقة المتولدة بعد حرق الوقود والتي يتم تحويلها إلى القوة الدافعة للسيارة.
يتم حساب الكفاءة الحرارية عن طريق قسمة القيمة الحرارية الفعلية المستخدمة على القيمة الحرارية الموجودة في الوقود. على سبيل المثال: سيطلق لتر واحد من البنزين 33580 كيلو جول من الحرارة بعد الاحتراق الكامل، منها 11000 كيلو جول يتم تحويلها إلى ناتج عمل بواسطة المحرك. إذن الكفاءة الحرارية لهذا المحرك في هذا الوقت هي:
(11000÷33580)×100%=32.8%
بشكل عام، يتم تحديد الكفاءة الحرارية لمحرك معين بشكل أساسي منذ وقت تصميمه وحتى خروجه من المصنع. تتراوح الكفاءة الحرارية القصوى لمحركات البنزين بشكل عام بين 30% و40%، أما محركات الديزل فهي أعلى قليلاً، بين 35% و45%. وبالحديث عن هذا، قد يتساءل بعض الأصدقاء، لماذا لا تصل الكفاءة الحرارية إلى 100%؟ الواقع قاس جدا. من الصعب جدًا على مهندسي المحركات زيادة الكفاءة الحرارية بنسبة 1% على أساس 30% إلى 40%. فأين تذهب نسبة 50% إلى 60% المتبقية من الطاقة؟
صورة
المحرك عبارة عن آلة تقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. وفقا لقوانين الديناميكا الحرارية، لا يمكن تحويل الطاقة الحرارية بنسبة 100% إلى أشكال أخرى من الطاقة. في جميع الآلات، الاحتكاك أمر لا مفر منه، ولا يمكن التخلص من الحرارة التي تستهلكها مقاومة الاحتكاك. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يحافظ المحرك على درجة حرارة وحجم معينين ولا يمكن أن يزيد أو ينقص إلى أجل غير مسمى، لذلك فإن فقدان التبريد أمر لا مفر منه. إلى جانب عوامل أخرى، مثل استحالة الاحتراق الكامل للوقود، وفقدان غاز المضخة، وما إلى ذلك، لا يمكن أن تصل الكفاءة الحرارية للمحرك إلى 100٪.
عندما تم إنشاء المحرك لأول مرة، كانت الكفاءة الحرارية القصوى أقل من 20%. بعد مائة عام، وبفضل الجهود المتواصلة لأجيال من مهندسي السيارات، تم زيادة الحد الأقصى للكفاءة الحرارية لمحركات السيارات إلى أكثر من 40% فقط. وهذا بالفعل إنجاز رائع. مع التكنولوجيا الحالية، تقترب الكفاءة الحرارية للمحرك من الحد الأقصى. وكل زيادة مئوية تعتبر تقدماً تكنولوجياً هائلاً.
ما هي طرق تحسين الكفاءة الحرارية للمحرك؟
1. بالنسبة لمحركات البنزين، الطريقة الأكثر مباشرة هي زيادة نسبة ضغط المحرك. وهذا أيضًا أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل الكفاءة الحرارية لمحركات الديزل أعلى من محركات البنزين.
2. تقليل مقاومة الاحتكاك الميكانيكي باستخدام مكابس منخفضة الاحتكاك، وحلقات مكبس منخفضة المرونة، ومواد تشحيم ذات أداء أفضل.
3. تحسين نظام إمداد الوقود واعتماد الحقن المباشر للأسطوانة ذات الضغط العالي، وما إلى ذلك.
4. تحسين تصميم ممرات السحب والعادم لمجموعة الصمامات واعتماد توقيت الصمام المتغير وتكنولوجيا الرفع.
5. تحسين تصميم غرفة الاحتراق للسماح باحتراق الوقود بشكل أكثر اكتمالاً.
6. تحسين تصميم الأسطوانة والحصول على نسبة التجويف إلى الشوط المناسبة؛
7. بالنسبة لمحركات الديزل، يمكن أيضًا استخدام تقنيات مثل زيادة معدل الحقن، والحقن المتعدد، وضغط السحب العالي.
صورة
الكفاءة الحرارية للمحرك ليست ثابتة
تتغير الكفاءة الحرارية للمحرك مع تغير ظروف التشغيل. في معظم ظروف العمل، تكون الكفاءة الحرارية للمحرك منخفضة جدًا. على سبيل المثال، في ظروف الازدحام الحضري الأكثر شيوعًا، تبلغ الكفاءة الحرارية للمحرك حوالي 20٪ فقط؛ عند القيادة على الطريق السريع، يمكن أن تصل الكفاءة الحرارية إلى حوالي 30%؛ ظروف العمل ذات الكفاءة الحرارية الأعلى هي الأحمال الكبيرة والسرعات المنخفضة، كما هو الحال عندما تقود السيارة عند تسلق منحدر حاد، يكون دواسة الوقود في المحرك مفتوحًا بالكامل وتكون مقاومة سحب الهواء في حدها الأدنى. في هذا الوقت، سرعة المحرك ليست عالية ومقاومة الاحتكاك الميكانيكي صغيرة. الكفاءة الحرارية في هذا الوقت عالية نسبيا.
إذا كان المحرك ذو كفاءة حرارية عالية، فهل يوفر الوقود بالضرورة؟
ليس بالضرورة. المحركات ذات الكفاءة الحرارية الأعلى تكون بشكل عام أكثر تقدمًا من الناحية التكنولوجية، كما أن اقتصاد المحرك نفسه أفضل بالتأكيد. إلا أن اقتصاد المحرك لا يساوي اقتصاد السيارة ككل. لا يتم تحديد استهلاك السيارة للوقود فقط من خلال المحرك، ولكن أيضًا من خلال العديد من العوامل مثل علبة التروس والهيكل ووزن الجسم. ولذلك، ليست كل الطرز المجهزة بمحركات ذات كفاءة حرارية عالية تكون موفرة للوقود.
صورة
منذ ظهور محرك الاحتراق الداخلي، وخاصة في ظل اتجاه الحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات، أصبح تحسين الكفاءة الحرارية أولوية قصوى في البحث والتطوير. على الرغم من وجود محركات ذات كفاءات حرارية تصل إلى 43% في النماذج ذات الإنتاج الضخم، إلا أن النسبة المتبقية البالغة 50% من الكفاءة الحرارية لا تزال بحاجة إلى استكشاف. وهذا أيضًا هو أهمية الأبحاث المكثفة التي تجريها العديد من شركات السيارات حول محركات الوقود.
