شرح مفصل لكل معاملات اداء المحرك والجيربوكس
هذة الرسالة حاولت اوضح فيها معنى كلمات: قدرة حصانية، عزم، سعة لترية، نسبة إنضغاط، نسب تخفيض، وعلاقة كل ذلك بسرعة دوران المحرك، ارجو انها تكون مفيدة:
أولا القدرة الحصانية
القدرة تعرف بانها معدل بذل الطاقة:
يعنى لو احنا عندنا ميت كيلوجرام اسمنت مثلا وعايزين نطلعهم الدور الخامس، وجبنا طفل صغير يطلعهم، هايطلعهم فى يومين على خمسين مرة كل مرة هايطلع 2 كيلوجرام، لكن لو جبنا عتال صحته كويسة هايطلعهم فى عشر دقائق على مرتين
نلاحظ هنا ان الطفل الصغير بذل الطاقة اللازمة لتطليع ال100 كيلو جرام اسمنت وكذلك العتال، لكن الفكرة كل واحد فيهم قدر يطلع الطاقة دى فى زمن قد إيه
يعنى كدة العتال تعتبر قدرته اكثر من قدرة الطفل بخمسة وعشرين مرة لأنه قدر يطلع 50 كيلوجرام فى الوقت اللى الطفل قدر يطلع 2 كيلوجرام فقط
برضه نوضح حاجة تانية، لو احنا عندنا عداء وزنه 70 كيلوجرام وربة بيت وزنها 70 كيلوجرام ، والإتنين كانو طالعين على السلم عشرة ادوار بأقصى سرعة ممكنه، العداء خد العشرة ادوار فى دقيقة ونص فى حين ان ربة البيت خدت فيهم ربع ساعه
يبقى معنى كدة ان فدرة العداء اكثر من قدرة ربه البيت 10 مرات لأنه قدر يطلع نفس الوزن فى واحد على عشرة من الزمن المستغرق من ربة البيت
بيقى مختصر الكلام دة ان الماكينة التى تستطيع اخراج قدر معين من الطاقة فى زمن اقل من الزمن الذى تحتاجة ماكينة اخرى لإنتاج نفس الطاقة، تعتبر الماكينة الأولى اعلى فى القدرة من الماكينة الثانية
وكذلك فإن الماكينة التى تستطيع اخراج قدر أكبر من الطاقة من القدر الذى تخرجه مكاينة اخرى فى نفس الزمن تعتبر الماكينة الأولى اعلى فى القدرة من الماكينة الثانية
طيب نطبق الكلام دة على العربيات: لو احنا عدنا عربية من نفس النوع وبنفس الوزن، لكن مرة بمحرك 1300 بقدرة 80 حصان وسرعة قصوى 165 كيلومتر فى الساعة ، ومرة اخرى بمحرك 1600 بقدرة 110 حصان وسرعة قصوى 185 كيلومتر فى الساعة، نلاحظ مباشرة ان قدرة المحرك انعكست على استطاعته دفع السيارة بسرعة قصوى اعلى، إى نقل السيارة من نقطه بدايه ما الى نقطة نهاية ما فى زمن اقل ، كما انه لو ان السيارة وزنها زاد لنفس المحرك بسبب إضافة كماليات او حمولة، فسنجد المحرك ذو القدرة الحصانية الأعلى قادر على دفع السيارة الثقيلة بنفس سرعة السيارة الخفيفة والمحرك الأصغر
وحدة الحصان: لا اذكر تحديدا من كان صحاب فكرة القدرة الحصانية ولكنه كان عالما اوروبيا ما من هؤلاء الذين أثرو الحضارة البشرية بكل مفردات الثورة الصناعية فى بدايات عصر النهضة، وقد بنى وحدته على اساس إستخدام حصان فى جر حبل يمر عبر بكرة مثبته فى السقف وينتهى بمجموعة أثقال ترتفع مع جر الحصان للحبل، وظل يقوم بزيادة الأثقال حتى كاد الحصان يتوقف عن الجر، وتم تعريف وحدة فدرة الحصان بالطاقة المبذوله فى رفع هذة الأثقال لمسافة معينة مقسومة على الزمن الذى استغرقة الحصان لرفعها
مع تطور المعرفة وقيام العالم العظيم نيوتن ابو الفيزياء بوضع قوانينه الاولى التى ادت الى معرفة البشر بالقيم الفيزيائية الأساسية(مسافة-كتلة(وزن)-زمن-شحنه كهربية) التى يمكن استنتاج كل الواحدت منها، تم توصيف وحدة للقدرة مبنية على المسافة والكتلة والزمن مستنتجة كالآتى:
السرعة=معدل قطع المسافة= مسافة / زمن=متر/ثاني
التسارع=معدل تغير السرعة=سرعة / زمن=متر/مربع الثانية
القوة=الكتلة *التسارع=كيلوجرام.متر/مربع الثانية وتسمى نيوتن تكريما للعالم الشهير
العزم=القوة اللازمة لتدوير آله دائرية مضروب فى نصف قطر الدوران=نيوتن.متر
الطاقة=القوة*المسافة المقطوعة بفضل هذة القوة=نيوتن.متر=كيلوجرام.مت ر مربع/مربع الثانية وتسمى جول
القدرة هى معدل بذل الطاقة=جول/ثانية=نيوتن.متر/ ثانية وتسمى وات تكريما للعالم الكبير جيمس وات صاحب الآلة البخارية الاولى،
ويلاحظ الآتى:
بتقسيم وحدة القدرة نجد انها تساوى=نيوتن. متر /ثانية او نيوتن.متر مضروبا فى مقلوب الثانية ، وبتعريف آخر هو العزم (نيوتن.متر) مضروب فى سرعة الدوران(مقلوب الثانية) وبالتعريف الدارج فإن القدرة الحصانية تساور العزم مضروبا فى ال RPM
والكيلو وات يساوى 1000 وات
عند المقارنة الرياضية لوحدة الكيلووات بوحدة الحصان الأقدم التى كانت شائعة الإستخدام وجد ان الحصان يساوى ثلاثة ارباع الكيلووات تقريبا
وبناء على كل ما سبق فإنه للتحويل قدرة المحرك من كيلو وات الى حصان فإن ارقم المذكور بالكيلو وات يضرب فى اربعة على ثلاثة
يعنى لو محرك قدرته القصوى 60 كيلو وات فإن هذة القدرة تساوى 60 مضروبة فى 4 مسومة على 3= 80 حصان
ُثانيا: العزم وعلاقته بالقدرة الحصانبة
العزم هو القيمة التى نعبر بها عن القوة المبذولة لتدوير آلة تدور حول محورها
ويساوى القوة مضروبة فى نصف قطر الدوران
كلام ناشف ودمه تقيل جدا لكن هنحاول نترجمه لمثال بسيط
فاكرين الطاحونة الى كانت بتطحن السمسم فى فيلم شباب إمرأة، ايوة اللى كان بيجرها حصاوى حليوة صغير كدة
الحصاوى دة بيزق دراع الطاحونة بقوة معينة بقيمة كذا نيوتن(النيوتن هى القوة الازمة لرفع 100 جرام تقريبا عن الأرض، او ممكن نقول ان كل 10 نيوتن تسلوى قوة رفع واحد كيلوجرام عن الأرض، او اختصارا كل 10 نيوتن تساوى واحد ثقل كيلوجرام)
هانقول ان الحصاوى كان مثلا بيزق دارع الطاحونة بقوة 1000 نيوتن(يعنى كأنه بيبذل قوة تكفى لرفع 100 كيلوجرام)، طيب نحسب ازاى العزم اللى واصل لمحور الطاحونة ، بنضرب القوة االى الحمار بيزق بيها الدراع وهى 1000 نيوتن فى طول الدراع، هانقول انه كان 3 متر مثلا، يبقى العزم هنا 3000 نيوتن متر
واخدين بالكم انه رقم مهول بالمقارنة بعزم العربيات اللى بيكون فى حدود مئات قليلة من النيوتن متر ورغم كدة مافيش اى حصاوى يقدر يجر عربية بسرعة 100 كيلومتر فى الساعة؟
إومال الخدعة فين طيب؟
علشان نعرف الخدعة فين نحول المثال بتاع الحصاوى والطاحونة الى ما هو موجود داخل محرك السيارة
عندنا جوة المحرك يوجد بدلا من الحصاوى بستم السيارة الذى يقوم بدفع الكرنك ومن ثم المحرك والسيارة نتيجة للضغط الواقع عليه من مخلوط الوقود والهواء المحترق
نفس الفكرة، البستم يقوم بدفع الكرنك بقوه كذا نيوتن، وعلشان نحولها لعزم بنضربها فى نص قطر دوران الكرنك اللى هو بساوى نص مشوار المكبس، يعنى حوالى 3 او 4 سنتى متر يعنى 0.04 متر، فعلى ذلك لو القوة اللى بيزق بيها المكبس5000 نيوتن(يعنى قوة تكفى لرفع 500 كيلوجرام من على الأرض) بيكون عزم المحرك 5000 *0.04=200 نيوتن متر
لو اضفنا لمعلوماتنا انه بالنسبة للمحرك ذو ال 4 سلندر بيكون فى كل لحظة مكبس واحد بس هو اللى عليه ضغط والتلاتة الباقيين بيحضروا(شرحناها قبل كدة فى فكرة عمل محرك الغحتراق الداخلى) يبقى نقدر نتخيل ان لو محرك عزمه 200 نيوتن متر فان القوة اللى بتزق المكبس هى قوة تكفى لرفع نصف طن من على الأرض
طيب، إيه بقى علاقة العزم بالقدرة الحصانية
القدرة الحصانية هى حاصل ضرب العزم فى سرعة الدوران
يعنى لو رجعنا لمثال الحصاوى والطاحونة احنا لقينا ان العزم بيساوى تقريبا 3000 نيوتن متر، وسرعة الدروان هانقول ان الحصاوى يكمل لفة كل 30ثانية واللفة اللفة بنحولها لوحدة اسمها الراديان بتساوى دايرة كاملة مقسومة على 2 ط يعنى على 6 تقريبا يبقى الحصاوى دة بيعمل رادبان كل5 ثوانى يعنى 1/5 راديان فى الثانية، بيقى الحصاوى دة قدرته بتساوى 3000 مضروبة فى 1/5=600 وات، لو عايزين نحول ال 600 وات دول الى قدرة حصانية يبقى نقسمهم على 1000 علشان نحولهم الى كيلو وات يبقى 0.6 كيلو وات ونضربها فى 4على 3 يبقى تقريبا 0.8 حصان
نفس الكلام بالنسبة للمحرك، لو حبينا نعرف القوة الحصانيه عند سرعة معينة بنضرب العزم فى سرعة الدروان، فلو مثلا قلنا ان المحرك عند سرعة 4500 لفة فى الدقيقة مطلع عزم 100 نيوتن متر
فى الأول نحول ال4500 لفة فى الدقيقة
4500/60=75 لفة فى الثانية=75 لفة فى الثانية=75*6.28=470 راديان فى الثانية
بيقى القدرة الحصانية للمحرك =100 *470=47000 وات=47 كيلو وات=
47مضروبة فى 4 مقسومة على 3=62 حصان
بيقى كدة عرفنا العلاقة بين الحصان والعزم
ثالثا: علاقة العزم والقدرة الحصانية بسرعة دوران المحرك
يعرف مصنعوا السيارات ما يسمى بمنحنى العزم مع السرعة ومنحنى القدرة الحصانية مع السرعة، وهى عبارة عن شكل بيانى يتم استنتاجه من إختبار المحرك، حيث يتم تشغيل المحرك على سرعات مختلفة وتحميله على هذة السرعات باحمال متباينة من خلال جهاز يسمى الفرملة الهيدروليكية(تشبه كثيرا كلاتش السيارات الأوتوماتيك)، ثم يتم قياس اقصى عزم يصل اليه المحرك عن طريق قياس رد فعل المحرك على قواعده من باستخدام خلية وزن وبناء على ذلك يتم رسم منحنى بيانى للعزم (على المحور الرأسى)مع السرعة(على المحور الأفقى)
يكون المنحنى عادة على شكل تل يرتفع حتى يصل لقيمة عظمى (200 نيوتن متر مثلا)تقابل سرعة معينة(3000 لفة فى الدقيقة مثلا) ثم ينخفض بعد ذلك، سبب إرتفاع عزم المحرك مع السرعة انه فى السرعات البطيئة تكون درجة حرارة الإحتراق قليلة وفرصة الصفع(التسقيف)عالية والضغط الناتج قليل مما يؤدى الى قله عزم المحرك، ومع ارتفاع السرعة تتحسن خواص الإحتراق ونحصل على عزم افضل، حتى نصل لقيمة مثلى للعزم، بعدها تبدأ خواص الإحتراق فى الإضمحلال نظرا لأنه فى السرعات العالية لا يحصل المخلوط على فرصة للإحتراق بشكل كامل مما يقلل الضغط الناتج
اما بالنسبة للقدرة الحصانية فقد عرفنا انها حاصل ضرب العزم فى سرعة الدروان، وبالتالى هى تظل تعلو طالما ان السرعة تعلو والعزم يعلو حتى نصل الى النقطة التى يبدأ عنها العزم فى الإضمحلال، نلاحظ ان القدرة الحصانية تستسمر فى الإرتفاع ولكن بمعدل اقل ينتج من حاصل ضرب سرعة الدوران المتزايدة مع العزم الأخذ فى الإضمحلال، حتى نصل لقيمة عظمى للقدرة الحصانية (80 حصان مثلا)عند سرعة معينة(4500 لفة فى الدقيقة مثلا)تبدأ بعدها القدرة الحصانية فى الإضمحلال نظرا لتفوق معدل إضمحلال العزم على معدل إرتفاع سرعة الدوران
طيب إيه اللى هايفيدنى من معرفة العزم والقدرة الحصانية
عزم المحرك(وليس القدرة الحصانية) هو ما جعلنى اشعر بقوة سحب السيارة فكلما زاد العزم كلما كان سحب السيارة افضل(لوثبتنا كل العوامل الأخرى مثل وزن السيارة والمقاومة الإيروديناميكية)
اما سرعة افضل عزم فهى السرعة التى اعرف عندها السيارة سوف تكون فى أقصى حالات الإستجابة لو كبست عليها
يعنى مثلا لو قلنا ان السيارة عزمها الأقصى 200 نيوتن متر عند 2500 لفة فى الدقيقة فانا هنا اعرف انالسيارة سوف تعطى افضل سحب عند هذة السرعة
اما بالنسبة للقدرة الحصانية فهى مؤشر عام لقوة المحرك ونقطة اعلى قدرة حصانية كلما ارتفعت دل ذلك على إماكنيه تصميم سيارة تصل لسرعة قصوى اعلى بهذا المحرك
رابعا: السعة اللترية ونسبة الإنضغاط وعلاقتهما بالعزم والقدرة
السعة اللترية-وتسمى احيانا الحجم المزاحswept volume- تساوى حجم الفراغ الممسوح بواسطه حركة المكبس بين نهايتى مشواره مضروبة فى عدد المكابس
إزاى يعنى، يعنى مثلا لو عندنا محرك قطر المكبس بتاعه 80 مللى(8سم) وقطر دورا ركبة الكرنك 35 مللى(3.5 سم) مثلا،
يبقى مساحة سطح المكبس =8×8×3.14÷4=50 سنتى متر مربع
مشوار المكبس=2 * نصف قطر دوران ركبة الكرنك=3.5×2=7سنتى متر
يبقى الحجم الممسوح بواسطة مشوار المكبس= 50*7=350 سنتى متر مكعب(سى سى)
لو قلنا ان المحرك دة 4 سلندر يبقى السعة اللترية الكلية للسيارة=350×4=1400 سى سى
نلاحظ الآتى:يمكن ان نحصل على سعة لترية مختلفة سواء بتغيير قطر المكبس او بتغير المشوار، ولكن هناك نسب ذهبية عرفها المصنعون بالتجارب للنسبة بين القطر والمشوار ولذلك غالبا ما نجد ان قطر المكبس ومشواره متقاربان
السعة اللترية تمثل كمية مخلوط الهواء والوقود التى يستطيع المكبس سحبها الى داخل المحرك وكلما زادت السعة زادت الكمية وبالتالى زادت كمية الطاقة المنتجة وزادت القدرة الحصانية
كما نلاحظ انه كلما زاد قطر المكبس زادت القوة التى يؤثر بها على الكرنك لان المكبس يتأثر بضغط الحريق الواقع عليه، وحيث ان القوة تساوى الضغط مضروبا فى المساحة فإنه كلما كبر المكبس زادت القوة وبالتالى زاد عزم المحرك
يبقى عرفنا ان ازاى السعة اللترية مرتبطة بالقدرة الحصانية وازى ان قطر المكبس مرتبط بالعزم
ماذا عن نسبة الإنضغاط
نسبة الإنضغاط هى حجم مخلوط الهواء الهواء والوقد بعد شوط الضغط مقسوما على حجم نفس المخلوط قبل شوط الضغط
إحنا عارفين ان المكبس بيسحب كمية من الهواء والوقود وبعدين يضغطها فى حجم صغير جدا وبعدين يحرقها
كلما زادت نسبة الإنضغاط كلما تحسنت كفائة عملية الإحتراق وقل الإهدار فى الطاقة، وتفسير هذة القصة معقد بعض الشئ ولكن تصرف المخلوط داخل محرك الإحتراق الداخلى يتم تفسيره بما يسمى دورة أوتتو وهى فرع من علم يسمى الديناميكا الحرارية وليس مكانها هنا بصراحة،
وبالتالى كلما زادت نسبة الإنضغاط حصلنا على ضغط حريق اعلى، وبضربه فى مساحة المكبس نحصل على قوة اكثر، بضربها فى نصف قطر دوران ركبة الكرنك نحصل على عزم اكبر، بضربه فى سرعة الدوران نحصل على قدرة حصانية اكبر
خاممسا: نسب تخفيض الجيربوكس
نسبة التخفيض لسرعة ما هى ببساطة حاصل قسمة عدد لفات المحرك فى الدقيقة على عدد لفات عجلة السيارة فى الدقيقة
يعنى لو خدنا مثال بسيط لسيارة تكون سرعة محركها 3000 لفة فى الدقيقة على الغيار الخامس فى جين تكون تسير بسرعة 100 كيلومتر فى الساعة
لو فرضنا ان القطر الخارجى لعجلة السيارة هو 60 سم مثلا فهذا سيؤدى بحسبة هندسية بسيطة الى ان السيارة لكى تسير بسرعة 100 كيلومتر فى الساعة فإن الإطارات تدور بسرعى 750 لفة فى الدقيقة تقريبا
وهذا معناه ان نسبة التخفيض الكلية =3000 مقسومة على 750 =4 الى 1
يلاحظ ان نسبة التخفيض تساوى حاصل ضرب نسبة تخفيض الجير بوكس مضروبة فى نسبة تخفيض الكورورنا
نسبة تخفض الجير بوكس تتغير حسب النقلة فبنما تكون مثلا 1 الى 4 مثلا على الاول وواحد الى ثلاثة على الثانى وواحد الى واحد ونصف على الثالث وواحد الى واحد على الرابع وواحد وربع الى واحد على الخامس(هذ الارقام تتغير من سيارة لسيارة) فإنن نجد نسبة تخفيض الكورونا ثابتة فى االسيارة(مثلا واحد الى خمسة ، وتتغير من سيارة لسيارة)
وكلما كان المحرك ذو قدرة حصانية اعلى امكن تصميم جيربوكس وكورونا بنسب تخفيض اكبر تتتيح للسيارة سرعة قصوى اكثر لأن نسبة التخفيض الأعلى تضع حمل إضافى على المحرك
يعنى مثلا السيارة الشاهين 1400 ذات ال82 حصان يكون محركها 3300 لفة فى الدقيقة على سرعة 100 كيلومتر فى الساعة، فى حين ان الكثير من سيارات ال100 حصان يكون محركها على 2700 لفة فى الدقيقة على الخامس،
سادسا: الخلاصة
بعد كل الكلام اللى شرحناه فى الرسيل السابقة ممكن نحوله الى استنتاجات تفيد من يفكر فى اختيار سيارة ويجد فى يده ورقة مليئة يالأرقام التى تعبر عن اداء السيارة:
1- رقم القدرة الحصانية يعطى انطباع عام عن فئة المحرك لكنه لا يعطى تفاصيل واضحة عن ملامح اداء المحرك
2-السعة اللترية هى اهم عوامل تحديد القدرة الحصانية لكنها ليستت الوحيدة حيث تتدخل معها نسبة الإنضغاط وتصميم المحرك(عدد الصبابات) ونسبة القطر الى المشوار bore stroke ration
3- كلما كبر قطر المكبس bore diameter كلما حصلنا على عزم اعلى ولكن فى نفس الوقت زيادة قطر المكبس عن اللازم تمثل مشكلة فى السرعات العالية نظرا لزيادة وزن المكبس التى تعوق حركته بسرعة ولذلك فان السيارت صاحبة المكابس الكبيرة هى سيارة عمها عالى ولكن رسعتها القصوى غير مرتفعة
4- العزم هو ما يمكننى من الشعور بقوة السيارة حيث ان العزم يترجم مباشرة الى تسارع للسيارة عند الكبس على دواسة البنزين
- 5- نسب تخفيض متقاربة تساوى سرعة اعلى للسيارة وتساوى ان السيارة تكون ماشية 160 والRPM 3000 ، لكن لوضع جير بوكس ذو نسب تخفيض متقاربة تتيح سرعة قصوى اعلى بالسيارة لابد من ان يكون المحرك ذو قدرة حصانية تسمح بذلك وإلا فأن نسب التخفيض المتقاربة سوف تقتل عزم المحرك. منقوووووووووول للامانه
