هل تُحسِّن مجمعات السحب المُحسَّنة كفاءة المحرك؟

كيف يؤثر تصميم مجمع السحب مباشرةً على الكفاءة الحجمية والكفاءة الحرارية

الكفاءة الحجمية باعتبارها العامل الأساسي الذي يُحرِّك كفاءة الاحتراق

الكفاءة الحجمية، أو «VE» اختصارًا لها، تُبيّن لنا في الأساس مدى كفاءة المحرك في سحب الهواء إلى غرف الأسطوانات مقارنةً بالسعة الحجمية الفيزيائية التي يمكن أن تحتويها هذه الغرف. وعندما تزداد الكفاءة الحجمية، تزداد كذلك كثافة خليط الهواء والوقود داخل غرفة الاحتراق، ما يؤدي إلى احتراقٍ أكثر كفاءة وإنتاج طاقة أكبر. وتلعب أشكال ومقاسات أنابيب السحب (Manifolds) دورًا كبيرًا جدًّا في ذلك. فطول الأنابيب الفرعية (Runners) وحجم الغرفة المشتركة (Plenum) يُحدثان أنماط تدفق هوائية مختلفة استنادًا إلى مبادئ فيزيائية مثل القصور الذاتي وموجات الضغط. فعلى سبيل المثال، تكون الأنابيب الفرعية الأطول عادةً أكثر فعالية عند نطاقات الدوران المنخفضة (RPM)، لأنها تستفيد من تأثيرات الرنين الصوتي. أما الأنابيب الأقصر فتتيح للهواء التحرك بسرعة أكبر عند ارتفاع دورات المحرك، رغم وجود دائمًا نوعٍ من التنازلات والموازنات بين المزايا والعيوب. ويجد معظم المهندسين أن رفع الكفاءة الحجمية بنسبة تقارب ١٠٪ يؤدي عادةً إلى زيادة تتراوح بين ٣ و٥ أحصنة قوة إضافية، نظرًا لاحتراق الوقود بشكل أكثر اكتمالًا. لكن ينبغي الحذر من تصاميم أنابيب السحب الرديئة، إذ قد تتسبب في مشكلات عديدة، منها توليد تيارات هوائية مضطربة أو حتى تدفق عكسي للهواء إلى أنابيب السحب، مما يؤدي إلى حرمان بعض الأسطوانات من الوقود اللازم، وزيادة انبعاثات الهيدروكربونات غير المحترقة أكثر من اللازم.

لماذا لا يضمن أقصى كفاءة حجمية أقصى كفاءة حرارية: دور درجة حرارة الشحنة وتوقيت الاحتراق

إن تحقيق أقصى كفاءة حجمية (VE) وحده لا يضمن بالضرورة أفضل كفاءة حرارية، لأن عوامل مثل درجة حرارة الشحنة وتوقيت الاحتراق تؤثر بنفس القدر من الأهمية. فعندما تتعرض أنابيب السحب للتسخين المفرط، قد ترتفع درجة حرارة هواء الدخول بحوالي ١٥ إلى ٢٠ درجة مئوية. وهذا يؤدي إلى خفض كثافة الأكسجين حتى لو بدت الكفاءة الحجمية جيدة على الورق. وللمكافحة ضد ظاهرة التفجير العادي (knock)، تُجبر المحركات على تشغيل خليط وقود أكثر غنىً، ما يؤدي إلى إهدار ما نسبته حوالي ٧ إلى ٩٪ من المكاسب الممكنة في الطاقة. وفي الوقت نفسه، عندما لا يتم توزيع تدفق الهواء بشكل متجانس عبر القنوات (runners)، فإن الأسطوانات المختلفة تتلقى كميات متباينة من الهواء والوقود. فالمخاليط الفقيرة بالوقود (Leaner mixtures) تميل إلى الاشتعال لاحقًا مما ينبغي، بينما قد تحدث الانفجارات المبكرة (detonation) في المخاليط الغنية بالوقود (richer ones). وكلا الحالتين تضر بالأداء العام للمحرك. ولتحقيق تحسينات فعلية في الكفاءة الحرارية، يجب على المهندسين موازنة تحسين الكفاءة الحجمية مع الإدارة السليمة لدرجة حرارة الشحنة. فإذا لم تتفاعل هذه العناصر معًا بشكل متناسق، فإن ما بين ١٠ إلى ١٢٪ من الكفاءة الحرارية المحتملة تضيع تمامًا، بغض النظر عن ارتفاع قيمة الكفاءة الحجمية. ولهذا السبب، تتضمّن تصاميم المحركات الحديثة عناصر مثل طبقات الطلاء العازلة للحرارة (thermal barrier coatings)، وغرف التجميع المعزولة حراريًا (insulated plenum chambers)، وأسطح القنوات المبرَّدة خصيصًا لمواجهة هذه التحديات مباشرةً.

أنابيب ش sucktion مُهيأة الطول: تحسين موجّه نحو عدد الدورات في الدقيقة (RPM) ومقايضات الكفاءة في الاستخدام الفعلي

ضبط الرنين، وديناميكية موجات الضغط، وتأثيرها على استهلاك الوقود عند تشغيل المحرك جزئيًا

تعمل ضبط الرنين عن طريق استخدام موجات الضغط التي تنتقل عبر قنوات السحب لتحسين امتلاء الأسطوانات عند سرعات محرك محددة. وعند إغلاق صمام السحب، تنشأ موجة انضغاط تعود إلى الأعلى عبر القناة. وإذا تزامنت جميع العوامل بشكل مناسب، فإن هذه الموجة تعود بالضبط في اللحظة التي يفتح فيها الصمام التالي، مما يُحدث تأثيرًا مشابهًا للشحن الإضافي. ويُطلق على هذه الظاهرة اسم «الشحن الفائق بالقصور الذاتي» لأنها تجعل المحرك يستوعب كمية أكبر من الهواء دون الحاجة إلى أي أجزاء ميكانيكية إضافية. وفي ظروف التشغيل الجزئي للدواسة، حيث تهدر المحركات طاقةً كبيرةً في مقاومة لوحة الدواسة، يؤدي ضبط الرنين الجيد فعليًّا إلى خفض درجة الجهد الذي يجب أن تبذله المحرك لسحب الهواء. ووفقًا لبعض الدراسات التي نشرتها جمعية مهندسي السيارات (SAE) في العام الماضي، يمكن لهذه الأنظمة أن تقلل استهلاك الوقود في القيادة الحضرية بنسبة تتراوح بين ٤٪ و٦٪ تقريبًا. والسبب الرئيسي لذلك هو تقليل الطاقة المهدرة وتحسن الأداء عندما لا تدور المحركات بسرعة عالية جدًّا. لكن هناك عقبةً هنا: فمعظم مجمعات السحب ذات الطول الثابت تعمل بكفاءة جيدة فقط ضمن نطاق ضيق جدًّا من سرعات المحرك. وبالتالي، يضطر المهندسون عمليًّا إلى الاختيار بين استجابة جيدة عند السرعات المنخفضة أو قوة خرج قوية عند السرعات العالية، إذ لا يمكن تحقيق كليهما معًا باستخدام التصاميم القياسية.

دراسة حالة: مانيفولد استقبال ذي طول متغير في محرك سداسي الأسطوانات على التوالي مع شاحن توربيني وزيادة عزم الدوران عند السرعات المنخفضة بنسبة ٧,٢٪ مع خسارة ضئيلة في الكفاءة

إن محرك الستة في الخط المزود بشاحن توربيني، المذكور في هذا السياق، مزوَّدٌ بمنفذ دخول ذي مسارين يتم التحكم فيه إلكترونيًّا. وعند التشغيل عند سرعات أقل من نحو ٣٥٠٠ دورة في الدقيقة، يُفعِّل النظام قنوات دخول أطول تُحسِّن عزم الدوران عند السرعات المنخفضة عبر زيادة كثافة الهواء الداخل. وأظهرت الاختبارات أن هذه الترتيبات تحقِّق تحسُّنًا بنسبة تبلغ نحو ٧,٢٪ في عزم الدوران الناتج، ما يجعل أداء السيارة أكثر راحةً وسلاسةً في الاستخدام اليومي على الطرق العادية. أما استهلاك الوقود فيرتفع فعليًّا بنسبة أقل من ١٪ فقط عندما يعمل المحرك بكفاءةٍ قصوى، وفقًا للقياسات التي أُجريت أثناء مراحل الاختبار. ومع تجاوز المحرك لسرعة ٣٥٠٠ دورة في الدقيقة، يتحول النظام تلقائيًّا إلى قنوات دخول أقصر تزيل أي قيود على تدفق الهواء مع الحفاظ على أداء جيِّد عند السرعات الأعلى. وما يجعل هذه التكنولوجيا مثيرةً للاهتمام هو قدرتها على تخطِّي التنازلات التقليدية المعتادة بين سرعة الاستجابة والكفاءة في استهلاك الوقود. وتدعم دراسةٌ نُشِرت في «المجلة الدولية لأبحاث المحركات» عام ٢٠٢٣ هذه النتائج، وتبيِّن أن أنظمة منافذ الدخول ذات الطول المتغيِّر يمكنها بالفعل تحسين توصيل القدرة عند نطاقات الدوران المنخفضة دون التأثير السلبي الكبير على استهلاك الوقود. ولهذا السبب نرى عددًا متزايدًا من الشركات المصنِّعة تعتمد هذا النهج في محركاتها الإنتاجية.

تبريد متكامل بين المراوح وتحكم في درجة حرارة الشحن داخل أنبوب السحب

فوائد هواء السحب دون ٤٥°م: مكاسب تجريبية في الكفاءة الحرارية

أظهرت الدراسات أن الحفاظ على درجة حرارة هواء الدخول دون ٤٥°م (ما يعادل نحو ١١٣°ف) يُحسّن فعالية المحركات التوربينية الحرارية بشكل ملحوظ. فعندما يبقى الهواء باردًا، يزداد احتواؤه على الأكسجين في كل شوط أسطواني، ما يؤدي إلى احتراقٍ أكثر كفاءة للوقود، ويسمح بضبط توقيت الشرارة بدقة أكبر، ويقلل من الحاجة إلى إضافات وقود إضافية لمنع ظاهرة التشغيل غير المنتظم (القرقعة). وقد قمنا باختبار هذه الفكرة على نظام توربيني سعة ٢,٣ لتر مزوَّد بتقنية التحكم المتغير في صمامات السحب والطرد، ومبرِّد وسيط مدمج مباشرةً في المجمع. وكانت النتائج مثيرةً للإعجاب فعلاً: حيث ارتفعت الكفاءة الحرارية بنسبة ٢,٣٪ تقريبًا، وانخفض استهلاك الوقود بنسبة ٣,١٪ تقريبًا لكل وحدة طاقة مُنتَجة خلال الاختبارات القياسية على جهاز القياس الديناميكي (الداينمو). فما السبب في كفاءة هذا النظام؟ إنه يخفض درجات الحرارة العالية جدًّا لهواء الشحن بعد التوربين (والتي تتراوح عادةً بين ١٥٠ و٢٠٠°م) مباشرةً إلى مستويات قابلة للتحكم عند منافذ الأسطوانات نفسها. وبذلك نتجنب فقدان الحرارة عبر القنوات الطويلة أو التأخيرات الناتجة عن المبرِّدات الوسيطة التقليدية المثبتة في المقدمة. وعندما تستقر درجات الحرارة بسرعة أكبر وتبقى ضمن نطاقات أضيق، تصبح عملية الاحتراق أكثر قابليةً للتنبؤ بها في مختلف ظروف التشغيل، مما يؤدي إلى تحسينات ملموسة في الكفاءة قمنا بقياسها.

تكامل توصيل الوقود: تحديد موقع الحقن وتحسين توزيع الهواء والوقود في مجمع السحب

إن مكان توضع الحقنات داخل مجمع السحب يؤثر تأثيرًا كبيرًا على كفاءة عملية الاحتراق، لأن ذلك ينعكس على درجة تفتت الوقود وتجانس خليط الوقود والهواء المُزوَّد إلى كل أسطوانة. فعند تركيب الحقنات في الأجزاء العلوية من تلك الأنابيب الطويلة، يزداد الوقت المتاح لتحول الوقود إلى بخار قبل وصوله إلى غرفة الاحتراق. وهذا بدوره يساعد في تبريد شحنة الهواء الداخلة، ويرفع من أقصى قدرة خرج المحرك. أما عند تركيب الحقنات بالقرب من صمامات السحب، فإن ذلك يحسّن استجابة دواسة الوقود (الثروتل)، نظرًا لانخفاض كمية الوقود العالقة على جدران القنوات أو المتبقية فيها بعد إيقاف المحرك. وتستخدم معظم تصاميم المحركات الحديثة حاليًّا ما يُعرف بأنظمة الحقن المزدوجة، التي تدمج بين حقن الوقود عبر المنفذ (Port Fuel Injection) أثناء التشغيل الخفيف للمحرك، وحقن الوقود المباشر (Direct Injection) عند الحاجة إلى أقصى قدرة خرج. ومع ذلك، وحتى مع هذه الأنظمة المتطورة، لا يزال المهندسون يواجهون صعوبات في تحقيق التوازن الأمثل بين جميع العوامل المؤثرة. فشكل قنوات السحب ليس دائمًا متناظرًا، ولذلك يجب تعديل توقيت الحقن وسائر المعايير الأخرى لضمان توزيع تدفق الهواء بشكل متساوٍ بين الأسطوانات. فإذا لم تُصحَّح هذه الاختلالات، فقد تعمل بعض الأسطوانات بخليط غني جدًّا بينما تعمل أخرى بخليط فقير جدًّا، وهو ما قد يؤدي — وفقًا لأبحاث جمعية مهندسي السيارات (SAE) — إلى انخفاض كفاءة المحرك الإجمالية بنسبة تصل إلى ٥٪. ولتحقيق توصيل وقودٍ متسقٍ في جميع ظروف القيادة، لا يكفي الاعتماد على الاختبارات الأساسية لتدفق الوقود فحسب، بل يتطلب الأمر من المهندسين رسم خرائط دقيقة لمواقع انتقال الوقود باستخدام عمليات محاكاة حاسوبية تأخذ في الاعتبار التغيرات الواقعية في الضغط ودرجة الحرارة أثناء التشغيل الفعلي.