كيف تعمل محركات الديزل في الطائرة

كيف تعمل محركات الديزل في الطائرة؟ تسمى محركات الديزل عادةً بمحركات الاشتعال عن طريق الضغط، بحيث تستعمل أغلب المحركات التي تعمل بالبنزين شمعات الإشعال لتشغيل مزيج الوقود والهواء تلقائيًا، لكن محركات الديزل تحقق ذلك بدون الحاجة إلى شمعات إشعال، ولتصور كيفية عملها، من الأسهل مناقشة كل دورة من الدورات الأربعة لمحرك الاحتراق، وهي السحب والضغط والاحتراق والعادم.

مبدأ عمل محركات الديزل في الطائرة

السحب من دورة محرك الاحتراق Intake

شوط سحب الديزل يحضر الهواء إلى الأسطوانة، بشكل حاسم عندما يتحرك المكبس باتجاه الأسفل، يتم تكوين شفط يسحب الهواء خلال مرشح الهواء، هذا يختلف عن محركات البنزين، التي تسحب الهواء والوقود على حد سواء. تحتاج محركات الديزل إلى كمية كبيرة من الهواء لتشغيلها، لذلك من الشائع جدًا أن تكون محركات الديزل على الطائرة فائقة السرعة أو مزودة بشاحن توربيني.

الضغط من دورة محرك الاحتراق Compression

عندما ينتقل المكبس لأعلى الأسطوانة، يتم إغلاق الصمامات، ويتم ضغط الهواء إلى قيم عالية جدًا، بحيث يكون ضغط الأسطوانة أعلى بكثير في محركات الديزل على الطائرة، وعندما يصل الهواء إلى قيم عالية جدًا، يصبح أيضًا ساخنًا جدًا.

الاحتراق من دورة محرك الاحتراق Combustion

وبمجرد وصول الأسطوانة إلى قمة شوطها، يتم حقن الوقود في الهواء المضغوط الساخن في محرك الطائرة، وبسبب الحرارة المتضمنة بالفعل، يحترق هذا الوقود تلقائيًا، مما يدفع المكبس إلى الأسفل من أجل شوط الطاقة، ولكي يتم حقنه، كما يجب أن يكون الوقود بنفس ضغط الهواء، لذلك يجب أن تستخدم محركات الديزل مضخات وقود عالية الضغط لضغط الوقود.

وتعتبر مضخة الوقود ذات الضغط العالي عنصرًا معقدًا ومكلفًا، حيث تحتوي بعض المحركات الميكانيكية الأبسط على نظام قياس يقسم الوقود إلى أعلى ويرسله إلى كل حاقن، وعلى غرار نظام حقن الوقود بالبنزين، تتيح التقنيات الإلكترونية الأحدث ضغط الوقود في نظام القطع الحديدية المشتركة، مع فتح الحاقنات عن طريق التحكم الإلكتروني، وهذا النظام فعال للغاية ولكنه أيضًا معقد للغاية ومكلف.

ويوجد تعقيد آخر في التصميم يأتي من كل هذا الوقود المضغوط، حيث سيستخدم المحرك جزءًا صغيرًا فقط من الوقود المزود للحاقنات، لذلك يجب إعادة الباقي إلى خزانات الوقود داخل (الجناح) للطائرة، ونظرًا لأن الوقود كان مضغوطًا وساخنًا، فقد يحتاج إلى تبريده أولاً، ومبرد الوقود شائع في تركيبات محركات الديزل للطائرات.

وهناك اعتبار أخير لضمان احتراق الوقود، حيث أنه عندما ينبغي أن يكون الهدف هو درجات الحرارة المحيطة، وبمجرد تشغيل المحرك، ستكون حرارته الخاصة أكثر من لازمة لاحتراق الوقود، ولكن عند بدء تشغيل محرك الطائرة لأول مرة في يوم بارد، فقد يستغرق الأمر قدرًا كبيرًا من التدوير لجعله ساخنًا بدرجة كافية لتشغيله.

ولحل هذه المشكلة، يقوم المصنعون بتركيب سخانات كهربائية في رؤوس الأسطوانات المعروفة باسم شمعات التوهج، وتعمل هذه الشمعات أو المقابس على إيقاف تشغيل البطارية حتى يتم تشغيل محرك الطائرة ثم يتم إيقاف تشغيله وعندما يصبح محرك الطائرة دافئًا بدرجة كافية لتشغيله دون مساعده.

العادم من دورة محرك الاحتراق Exhaust

وعندما يعيد المكبس الأسطوانة، يفتح صمام العادم ويتم طرد الغازات العادمة، كما ذكر أعلاه، فإن معظم محركات الديزل فائقة السرعة أو بشاحن توربيني، وفي نظام الشحن التوربيني، تقوم غازات العادم بتدوير التوربينات التي تنضغط في الهواء الداخل، كما ويوفر ذلك هواءً مضغوطًا وأكثر كثافة لدورة الاحتراق، ويضمن عدم تغير ضغوط المحرك مع زيادة الارتفاع.

وإذا أراد المصنعون مزيدًا من الطاقة من المحرك، فقد يختارون تثبيت مبرد داخلي، وهذه عبارة عن مبادلات حرارية بسيطة مثبتة بين الشاحن التوربيني ومدخل هواء المحرك، والتي تعمل على تبريد هذا الهواء الكثيف للحصول على أداء أفضل.

محرك الديزل ثنائي الأشواط ورباعي الأشواط في الطائرة

ومثل محركات البنزين في الطائرات، من الممكن عمل نسخة ثنائية الأشواط تحقق نفس الأهداف، حيث كانت محركات الديزل المبكرة التي وجدت نجاحها قبل وخلال الحرب العالمية الثانية ثنائية الأشواط لأنها كانت أسهل في البناء والتصميم.

كما تجلب المحركات ثنائية الشوط في الطائرات الهواء والوقود من خلال منافذ مفتوحة في جدران الأسطوانة، مما يزيل تعقيدات الصمامات وأعمدة الكامات، كما تم تصميمها بذكاء بحيث يتحكم نطاق حركة المكبس في أي منفذ يكون مفتوحًا ومتى، كما يجلب شوط القوة الهابط الوقود والهواء، بينما يطرد الشوط الصاعد العادم.

كما لم تعد المحركات ثنائية الشوط مفضلة في القرن الحادي والعشرين؛ لأنها تنتج المزيد من تلوث الهواء بشكل تقليدي، ولكن إذا كان من الممكن حل هذه المشكلة، وإن لهما ميزة كبيرة للطائرات، ومن خلال كونها أبسط بكثير، فهي أيضًا أخف وزنا وأكثر قدرة على المنافسة مع خيارات البنزين.

تقنية FADEC في الطائرات

مع تعقيدها والحاجة إلى التحكم الإلكتروني، تعد محركات الديزل في الطائرة هي المرشح المثالي لأنظمة التحكم (FADEC)، حيث ترمز (FADEC) إلى التحكم الكامل في المحرك الرقمي، وإنه نظام شائع الاستخدام في التوربينات الجديدة والطائرات ذات المحركات التوربينية لجعل عمليات المحرك أبسط، وأن مبدأ التشغيل وراء محرك (FADEC) هو تسهيل مهمة الطيار، وعادة ما تكون عمليات المحرك معادلة إلى حد ما.

لذلك يمكن للكمبيوتر التحكم في معظم هذه الوظائف، كما يتم ضبط محركات (FADEC) برافعة طاقة أو دفع على الطائرة، وعادةً ما تعتمد على النسبة المئوية لخرج المحرك المطلوب، ولقد ولت أدوات التحكم القياسية في الخانق والدعامة، وعندما يقوم الطيار بتعيين الطاقة المطلوبة، يحدد الكمبيوتر أفضل طريقة لتحقيقها، كما أنه يتحكم في أشياء مثل دواسة الوقود.

وسرعة المروحة وحاقن الوقود وبوابة الشاحن التوربيني في محرك الديزل للطائرة، كما سيقوم النظام أيضًا بمراقبة جميع جوانب المحرك وتنبيه الطيار لأي شيء خارج عن المألوف، أيضًا يمكن للنظام ربط أشياء مثل ضغط الوقود وضغط الزيت ودرجة حرارة الزيت والضغط المتشعب ودرجة حرارة رأس الأسطوانة في نظام تنبيه مركزي واحد، ويطلق معظم المصنّعين على كمبيوتر المحرك الذي يقوم بكل هذا بوحدة التحكم الإلكترونية أو وحدة التحكم في المحرك.

إنها قطعة مهمة من المعدات لأنها إذا فشلت، سيتوقف محرك الطائرة، ولضمان تشغيل لا تشوبه شائبة، يتم تثبيت وحدتي (ECU) منفصلتين تمامًا لكل محرك، كما يقوم النظام بتشغيل كلا الجهازين بالتوازي، والتحقق دائمًا لمعرفة ما إذا كان هناك أي شيء مختلف وإذا كان هناك خطأ، يمكن للطيار اختيار واحد للعمل من خلاله وتحرّي الخلل وإصلاحه.

ونظرًا لأن العديد من مكونات (FADEC) يتم التحكم فيها كهربائيًا، فإن وجود مصادر طاقة احتياطية أمر بالغ الأهمية، فالنظام الكهربائي القياسي للطائرة يحتاج لبطارية احتياطية، وأن تكون مشحونة بمولد واحد هذا غير كافٍ ويفتقر إلى التكرار، كما تقوم بعض الشركات المصنعة بتثبيت حزم بطارية الطوارئ فقط لوحدات التحكم الإلكترونية (FADEC) في حالة فقد جميع الطاقة الأخرى، ويعد وجود اثنين من مولدات الشحن على متن الطائرة سياسة جيدة أخرى.

ملاحظة: “FADEC” اختصار لـ”Full Authority Digital Engine Control”.

ملاحظة: “ECU” اختصار لـ”Engine control unit “.