الكفاءة الحرارية والميكانيكية والحجمية لمحرك الطائرة

تتضمن أي دراسة للمحركات والقوة F اعتبار الحرارة مصدرًا للطاقة، حيث تؤدي الحرارة التي تنتج عن احتراق البنزين في الأسطوانات إلى تمدد سريع للغازات في الأسطوانة، وهذا بدوره يحرك المكابس ويولد طاقة ميكانيكية، ومن المعروف منذ فترة طويلة أنه يمكن تحويل العمل الميكانيكي إلى حرارة، وأن كمية معينة من الحرارة تحتوي على طاقة مكافئة لقدر معين من العمل الميكانيكي.

الكفاءة الحرارية

الحرارة والشغل قابلان للتبادل من الناحية النظرية ولهما علاقة ثابتة مع بعضهما البعض، لذلك يمكن قياس الحرارة بوحدات الشغل، وتعتبر الوحدة الحرارية البريطانية (BTU) هي كمية الحرارة المطلوبة لزيادة درجة حرارة رطل واحد من الماء بمقدار 1 درجة فهرنهايت، وهو ما يعادل 778 قدمًا لكل رطل من الشغل الميكانيكي، وعندما يتم حرق رطل من الوقود البترولي بكمية كافية من الهواء لاستهلاكه بالكامل، فإنه ينتج عنه حوالي 20000 وحدة حرارية بريطانية، أي ما يعادل 15.560.000 قدم. رطل من الشغل الميكانيكي، حيث تعبر هذه الكميات عن الطاقة الحرارية للوقود في وحدات الحرارة والشغل على التوالي.

حيث إن نسبة الشغل المفيد الذي يقوم به المحرك إلى الطاقة الحرارية للوقود الذي يستعمله، معبراً عنها بوحدات الشغل أو الحرارة تسمى الكفاءة الحرارية للمحرك، وإذا كان هناك محركان متماثلان يستعملان كميات متساوية من الوقود، فإن المحرك الذي يحول الجزء الأكبر من الطاقة في الوقود إلى الشغل يعني كفاءة حرارية أعلى ويوفر قدرًا أكبر من الطاقة.

علاوة على ذلك، فإن المحرك الذي يتمتع بكفاءة حرارية أعلى يحتوي على قدر أقل من الحرارة الضائعة، للتخلص منها في الصمامات والأسطوانات والمكابس ونظام التبريد الخاص بالمحرك، كما تعني الكفاءة الحرارية العالية أيضًا استهلاكًا منخفضًا للوقود، وبالتالي وقودًا أقل للرحلة لمسافة معينة عند طاقة معينة، وتكون الأهمية العملية للكفاءة الحرارية العالية هي ثلاثة أضعاف، وتشكل واحدة من أكثر الميزات المرغوبة في أداء محرك الطائرة.

الحرارة الكلية للاحتراق

يعتمد الجزء من الحرارة الكلية للاحتراق الذي يتم تحويله إلى عمل ميكانيكي إلى حد كبير على نسبة الضغط، وتعتبر نسبة الضغط نسبة إزاحة المكبس، بالإضافة إلى مساحة غرفة الاحتراق، وذلك مع تساوي الأشياء الأخرى، حيث أنه كلما زادت نسبة الضغط، زادت نسبة الطاقة الحرارية للاحتراق التي تحولت إلى عمل مفيد في العمود المرفقي، ومن ناحية أخرى فقد تؤدي زيادة نسبة الضغط إلى زيادة درجة حرارة رأس الأسطوانة، ويكون هذا عامل مقيد؛ لأن درجة الحرارة العالية للغاية الناتجة عن نسب الضغط العالية تتسبب في تدهور المادة الموجودة في الأسطوانة بسرعة وينفجر الوقود بدلاً من الاحتراق بمعدل متحكم فيه.

وقد تعتمد الكفاءة الحرارية للمحرك على قدرة حصانية محددة (ihp) ويتم تمثيلها بالصيغة، وذلك وفق المعادلة التالية:

Indicated Thermal Efficiency = ( ihp * 33000 ) / ( weight of fuel burned/min * heat value * 778 )

ملاحظة:معادلة الكفاءة الحرارية للفرامل هي نفسها الموضحة أعلاه، باستثناء قيمة (bhp) التي تم إدخالها بدلاً من قيمة (ihp).

يولد المحرك 85 حصانًا لمدة ساعة واحدة وخلال هذه الفترة يستهلك 50 رطلاً من الوقود، وبافتراض أن الوقود يحتوي على محتوى حراري يبلغ 18800 وحدة حرارية بريطانية لكل رطل يتم إيجاد الكفاءة الحرارية للمحرك، وذلك وفق المعادلة التالية:

(85  ihp * 33000) / (0.833 * 18500 BTU * 778 ) = ( 2805000 / 12184569 )

وتكون بهذا الكفاءة الحرارية للفرامل = 0.23 أو 23 بالمائة

كفاءة المحركات الترددية

تتميز المحركات الترددية بالكفاءة الحرارية بنسبة 34 في المائة فقط، أي أنها تحول فقط حوالي 34 في المائة من إجمالي الحرارة المحتملة للوقود المحترق إلى طاقة ميكانيكية، حيث يتم فقدان ما تبقى من الحرارة من خلال غازات العادم ونظام التبريد والاحتكاك داخل المحرك.

الكفاءة الميكانيكية

الكفاءة الميكانيكية هي النسبة التي توضح مقدار الطاقة التي طورتها الغازات المتوسعة في الأسطوانة، والتي يتم تسليمها فعليًا إلى عمود الخرج، حيث إنها مقارنة بين (bhp) و(ihp) ويمكن التعبير عنها بالصيغة، وذلك وفق المعادلة التالية:

Mechanical efficiency = bhp / ihp

قوة حصان الفرامل هي القوة المفيدة التي يتم تسليمها إلى عمود المروحة ويشار إلى القوة الحصانية على أنها إجمالي ما  تم تطويره في الأسطوانات، ويكون الفرق بين الاثنين هو قوة حصان الاحتكاك (fhp)، أي أن القوة المفقودة في التغلب على الاحتكاك، والعامل الذي له أكبر تأثير على الكفاءة الميكانيكية هو الاحتكاك داخل المحرك نفسه، حيث يظل بين الأجزاء المتحركة في المحرك ثابتًا عمليًا طوال نطاق سرعة المحرك، لذلك فإن الكفاءة الميكانيكية للمحرك تكون في أعلى مستوياتها عندما يتم تشغيل المحرك عند سرعة دورانه في الدقيقة، حيث يتم تطوير أقصى قدرة حصانية وتقترب الكفاءة الميكانيكية لمحرك التردد المتوسط ​​للطائرة من 90 بالمائة.

الكفاءة الحجمية

الكفاءة الحجمية هي نسبة ما يتم التعبير عنه، هذا يعني مقارنة بين حجم شحنة الوقود والهواء المصححة لدرجة الحرارة والضغط التي يتم إدخالها في الأسطوانات إلى إجمالي إزاحة مكبس المحرك، وتتسبب عوامل مختلفة في الابتعاد عن الكفاءة الحجمية بنسبة 100 بالمائة، حيث تقوم مكابس محرك السحب الطبيعي بإزاحة نفس الحجم في كل مرة ينتقلون فيها من أعلى مركز إلى أسفل مركز الأسطوانات، وتعتمد كمية الشحنة التي تملأ هذا الحجم على شوط السحب على الضغط الحالي ودرجة حرارة الغلاف الجوي المحيط، لذلك لإيجاد الكفاءة الحجمية للمحرك، فإنه يجب وضع معايير للضغط الجوي ودرجة الحرارة، كما يتم إنشاء الغلاف الجوي القياسي للولايات المتحدة في عام 1958، ويوفر قيم الضغط ودرجة الحرارة اللازمة لحساب الكفاءة الحجمية.

وتعتبر درجة حرارة مستوى سطح البحر القياسية هي 59 درجة فهرنهايت أو 15 درجة مئوية عند درجة الحرارة هذه، حيث يبلغ ضغط جو واحد 14.69 رطل/بوصة 2، وهذا الضغط يدعم عمودًا من الزئبق (Hg) بارتفاع 29.92 بوصة، أو 29.92 بوصة زئبق وتحدد ظروف مستوى سطح البحر القياسية هذه الكثافة القياسية وإذا كان المحرك يسحب حجمًا من الشحنة بهذه الكثافة يساوي تمامًا إزاحة مكبسه.

فيُقال إنه يعمل بكفاءة حجمية بنسبة 100 بالمائة، حيث إن سحب المحرك بحجم أقل من ذلك له كفاءة حجمية أقل من 100 بالمائة، وقد يكون للمحرك المجهز بشحن فائق حقيقي زيادة أعلى من 30.00Hg كفاءة حجمية أكبر من 100 بالمائة ومعادلة الكفاءة الحجمية هي:

Volumetric Efficiency = ( Volume of charge ( corrected for temperature and pressure )) / Piston displacement

كما يوجد العديد من العوامل تقلل من الكفاءة الحجمية، بما في ذلك:

• أنابيب سحب طويلة ذات قطر صغير.

• الانحناءات الحادة في نظام الحث.

• درجة حرارة هواء المكربن ​​المرتفعة للغاية.

• درجة حرارة رأس الأسطوانة المرتفعة للغاية.

• كسح غير مكتمل.

• توقيت الصمام غير المناسب.

ملاحظة: “FHP” اختصار لـ “Friction Horsepower“.

ملاحظة: “IHP” اختصار لـ “Indicated Horsepower”.

ملاحظة: “BHP” اختصار لـ “Brake Horsepower”.