دارات الهواء والوقود الفعلية

دارات الهواء والوقود الفعلية Real Air-fuel Cycles:

الدارة الفعلية التي تتم في محرك الاحتراق الداخلي ليست دارة ترموديناميكية، إذ أن دارة الهواء القياسية الترموديناميكية تحدث في جملة مغلقة ذات تركيب ثابت وهذا ليس قائماً في محركات الاحتراق الداخلي ولهذا السبب فإن تحليل دارة الهواء القياسية يعطي في أحسن الأحوال تقريباً للشروط الحقيقية ومخرجات تقريبية.

الفروق الرئيسية:

عمل المحركات الفعلية بدارات مفتوحة هو بتركيب متغير لمحتوى الأسطوانة، فتركيب الغاز عند الدخول يختلف عن تركيبه عند الخروج كما أن التدفق الكتلي متخلف بين الدخول والخروج حيث أن محركات الاشتعال بالانضغاط CI وبعض محركات الاشتعال بالشرارة SI تتغير فيها كمية الغازات وتركيبها أثناء الدارة، إن كتلة الجزء الموجود في الحالة الغازية المغادر للمحرك (مع غازات الاحتراق) أكبر مما يدخل إلى المحرك في شوط الامتصاص بنسبة مئوية لا يجوز إهمالها، بعض المحركات يحمل فيها الهواء المسحوب بعض قطرات الوقود السائل وهي تعتبر جزءاً من الكتلة الغازية لدى تحليل دارة الهواء القياسية، في أثناء الاحتراق تظل الكتلة الإجمالية ثابتة تقريباً ولكن عدد المولات يتغير وأخيراً ثمة فقدان للكتلة أثناء الدارة بسبب تيارات التسرب من الشقوق عبر المكابس ومعظم هذه الضياعات تتم في بداية شوط القدرة مسببة ضياع جزء من القدرة تبلغ الكمية المطروحة من محتوى الأسطوانة في أثناء الانضغاط والاحتراق %1.

معاملة محتوى الأسطوانة في دارة الهواء القياسية بوصفه هواء وغازاً مثالياً، في المحرك الفعلي يمكن أن يكون التيار القادم إلى المحرك كله هواء أو ممزوجاً بالوقود حتى %7 وهذا الوقود بالحالة السائلة أو الغازية أو بالحالتين معاً، أثناء الاحتراق يتغير التركيب في الأسطوانة ليصبح مزيجاً غازياً يتضمن CO2 و H2O و N₂ مع كميات قليلة منCO وبخار الهيدروكربونات وفي محركات الاشتعال بالانضغاط CI ستنشأ حبيبات كربون إلى جانب المزيج الغازي المذكور، إن تقريب نواتج الاحتراق إلى الهواء يبسط عملية التحليل ويسبب بعض الأخطاء، حتى لو كان محتوى أسطوانات المحرك كله هواء، فإن الخطأً سينشأ بفعل اعتباره غازاً مثالياً سعته الحرارية (بثبوت الضغط وثبوت الحجم) ثابتة، الأمر الذي نقابله في دارة الهواء القياسية، عند الضغوط المنخفضة لدى الدخول والخروج يمكن أن نعامل الهواء كغاز مثالي ولكن عند الضغوط المرتفعة في أثناء الاحتراق فإن سلوك الهواء يختلف عن سلوك الغاز المثالي، الخطأ الأكبر ينجم عن اعتبار قيمة السعتين الحراريتين النوعيتين  للغاز ثابتة مع أن قيمتها تتغير مع درجة الحرارة إلى حدود تصل %30، فمثلاً تبلغ للهواء قيمة C_P عند الدرجة  300k

ثمة ضياعات حرارية في دارة المحرك الفعلي يتم إهمالها في دارة الهواء القياسية، يخفض الضياع الحراري أثناء الاحتراق درجة  الحرارة القصوى والضغط عن القيمة المحسوبة نظرياً، شوط القدرة الفعلي يبدأ عند ضغط أدنى وهذا يجعل العمل الناتج عن التمدد أقل، كذلك يتواصل انتقال الحرارة أثناء التمدد مما يخفض درجة الحرارة والضغط في نهاية شوط القدرة عن القيمة الناتجة عن العملية الايزونتروبية المثالية، إن الانتقال في الحرارة يجعل المردود الحراري الدليلي الناتج أدنى من نظيره لدارة الهواء القياسية كذلك يوجد انتقال للحرارة أثناء الانضغاط مما يجعل العملية بعيدة عن الأيزونتروبية ولكن أثر ذلك في شوط الانضغاط أقل من أثره في أثناء شوط التمدد بفعل اختلاف درجات الحرارة السائدة في الشوطين.

يحتاج الاحتراق إلى وقت قصير ريثما يتم وإضافة الحرارة لا تتم آنياً عند TDC كما افترضنا في دارة أوتو، يستحسن أن تكون سرعة اللهب عالية في المحرك ولكنها بالواقع محددة وهذا يؤدي إلى جعل ارتفاع الضغط (ضمن الأسطوانة) يقع في حدود معينة ويصبح تأثير قوى الضغط على المكبس مستقراً وعمل المحرك سلساً إذا كان انتشار اللهب فوق صوتي (Supersonic) فإن عملية إضافة الحرارة إلى الدارة تصبح آنية، مما يجعل عمل المحرك خشناً Rough ونظراً لضرورة توفر زمن محدد فإن الاحتراق يبدأ عادة قبل TDCوينتهي بعد هذه النقطة وليس بثبوت الحجم كما نعتبر في دارة الهواء القياسية عند بدء الاحتراق قبل TDC فإن ارتفاع الضغط يبدأ في نهاية شوط الانضغاط (أي أبكر) وهذا يجعل العمل السالب (اللازم لتحقيق شوط الانضغاط ) أكبر، بما أن الاحتراق لا يكتمل إلا عند الوصول إلى ما بعدTDC، فإن بعض القدرة يضيع في بداية شوط التمدد.

ثمة ضياع آخر في عملية الاحتراق بالمحرك الفعلي سببه أن فعالية الاحتراق أقل من %100 بسبب عدم اكتمال عملية مزج الهواء بالوقود والتحولات في درجة الحرارة وتحولات نسبة الهواء للوقود φ بفعل الاضطراب ضمن حجرة الاحتراق وانطفاء الشعلة في بعض المواقع من الحجرة ....الخ.

تمتلك محركات الاشتعال بالشرارة SI فعالية احتراق قدرها %95 بينما تصل فعالية الاحتراق إلى %98 في محركات الاشتعال بالانضغاط CI.

إن عملية تمدد الغازات في الأسطوانة تحتاج لفترة زمنية محددة وإلى جزء من الدارة وهي لا تتم بثبوت الحجم كما يفترض في دارة الهواء القياسية.

لهذا السبب يفتح صمام التصريف قبل BDC ب °40 إلى°60، الأمر الذي يسبب ضياع جزء من قدرة تمدد الغاز.

في المحرك الفعلي لا يغلق صمام الامتصاص إلا بعد