نسبة الضغط

نسبة الانضغاط هي النسبة بين الحجم الأقصى والحجم الأدنى خلال مرحلة الانضغاط في دورة القدرة لمحرك المكبس أو محرك وانكل . وهي مواصفة أساسية لهذه المحركات، ويمكن قياسها بطريقتين مختلفتين. الطريقة الأبسط هي نسبة الانضغاط الساكنة : في المحرك الترددي ، هي نسبة حجم الأسطوانة عندما يكون المكبس في أسفل شوطه إلى حجمها عندما يكون في أعلى شوطه . ^{[ 1 ]} أما نسبة الانضغاط الديناميكية فهي حساب أكثر تعقيدًا يأخذ في الاعتبار أيضًا الغازات الداخلة والخارجة من الأسطوانة خلال مرحلة الانضغاط. ^{[ 2 ]}

يُعدّ ارتفاع نسبة الانضغاط أمرًا مرغوبًا فيه لأنه يسمح للمحرك باستخلاص طاقة ميكانيكية أكبر من كمية معينة من الوقود نظرًا لكفاءته الحرارية العالية . ^{[ 3 ]} ويحدث هذا لأن محركات الاحتراق الداخلي هي محركات حرارية، ونسب الانضغاط الأعلى تسمح بتحويل المزيد من الطاقة إلى شغل مفيد من نفس كمية الوقود، مع إطالة دورة التمدد، مما يُنتج طاقة ميكانيكية أكبر، وربما يُخفض درجة حرارة غازات العادم. ^{[ 4 ]}

مع ذلك، تحدّ عدة قيود هندسية من التطبيق العملي لنسب الانضغاط العالية جدًا. فنسب الانضغاط المرتفعة تزيد من ذروة ضغط ودرجة حرارة الأسطوانة، مما يستلزم استخدام مكونات محرك ومواد أقوى ذات مقاومة أعلى للحرارة لتحمّل الإجهادات الميكانيكية والحرارية الإضافية. ^{[ 5 ]} إضافةً إلى ذلك، تجعل نسب الانضغاط العالية المحركات أكثر عرضةً للطرق والاحتراق غير المنتظم ، خاصةً عند استخدام وقود منخفض الأوكتان، مما قد يُلحق الضرر بمكونات المحرك ويقلل من كفاءته. ^{[ 6 ]} كما تتضاءل مكاسب الكفاءة الحرارية الناتجة عن زيادة نسبة الانضغاط بعد تجاوز 10:1 تقريبًا، حيث تبدأ زيادة الاحتكاك وفقدان الحرارة في التأثير سلبًا على الفوائد الديناميكية الحرارية. ^{[ 7 ]}

في المحرك الترددي ، نسبة الانضغاط الساكنة (${\displaystyle \mathrm {CR} }$يمثل هذا النسبة بين حجم الأسطوانة وحجم غرفة الاحتراق عندما يكون المكبس في أسفل شوطه ، وحجم غرفة الاحتراق عندما يكون المكبس في أعلى شوطه . ^{[ 18 ]} ولذلك، يتم حسابه باستخدام الصيغة ^{[ 19 ].}$${\displaystyle \mathrm {CR} ={\frac {V_{d}+V_{c}}{V_{c}}}}$$

أين

• ${\displaystyle V_{d}}$يمثل حجم الإزاحة. وهو الحجم الموجود داخل الأسطوانة الذي يزيحه المكبس من بداية شوط الضغط إلى نهاية الشوط.
• ${\displaystyle V_{c}}$حجم الخلوص. وهو حجم الفراغ المتبقي في الأسطوانة في نهاية شوط الضغط.

${\displaystyle V_{d}}$يمكن تقديرها باستخدام صيغة حجم الأسطوانة : $${\displaystyle V_{d}={\tfrac {\pi }{4}}b^{2}s}$$

أين

• ${\displaystyle b}$قطر تجويف الأسطوانة​
• ${\displaystyle s}$طول شوط المكبس ​

بسبب الشكل المعقد لـ${\displaystyle V_{c}}$عادةً ما يتم قياسها مباشرةً. ويتم ذلك غالباً عن طريق ملء الأسطوانة بسائل ثم قياس حجم السائل المستخدم.

تستخدم معظم المحركات نسبة انضغاط ثابتة، إلا أن محرك نسبة الانضغاط المتغيرة قادر على تعديل نسبة الانضغاط أثناء تشغيله. وقد طُرح أول محرك إنتاجي بنسبة انضغاط متغيرة في عام 2019. نسبة الانضغاط المتغيرة هي تقنية لتعديل نسبة انضغاط محرك الاحتراق الداخلي أثناء تشغيله، وذلك لزيادة كفاءة استهلاك الوقود تحت أحمال متغيرة. تسمح محركات نسبة الانضغاط المتغيرة بتغيير حجم الهواء فوق المكبس عند النقطة الميتة العليا. ^{[ 20 ]} تتطلب الأحمال العالية نسب انضغاط أقل لزيادة القدرة، بينما تتطلب الأحمال المنخفضة نسب انضغاط أعلى لزيادة الكفاءة، أي لتقليل استهلاك الوقود. في السيارات، يُعد هذا ضروريًا لأن المحرك يعمل استجابةً للحمل ومتطلبات القيادة. تُعد سيارة إنفينيتي QX50 موديل 2019 أول سيارة متوفرة تجاريًا تستخدم محركًا بنسبة انضغاط متغيرة.

نسبة الانضغاط الساكنة المذكورة أعلاه - والتي تُحسب فقط بناءً على حجم الأسطوانة وغرفة الاحتراق - لا تأخذ في الحسبان أي غازات تدخل أو تخرج من الأسطوانة أثناء مرحلة الانضغاط. في معظم محركات السيارات، يُغلق صمام السحب (الذي يُحكم إغلاق الأسطوانة) أثناء مرحلة الانضغاط (أي بعد النقطة الميتة السفلى )، مما قد يتسبب في دفع بعض الغازات للخارج عبر صمام السحب. من ناحية أخرى، قد يؤدي ضبط منفذ السحب وتنظيفه إلى احتجاز كمية أكبر من الغاز في الأسطوانة مما يُشير إليه الحجم الساكن. نسبة الانضغاط الديناميكية تأخذ هذه العوامل في الحسبان.

تكون نسبة الانضغاط الديناميكي أعلى مع توقيت عمود الكامات للسحب الأكثر تحفظًا (أي إغلاق الصمام بعد النقطة الميتة السفلى مباشرة)، وأقل مع توقيت عمود الكامات للسحب الأكثر جذرية (أي إغلاق الصمام بعد النقطة الميتة السفلى بفترة أطول). ^{[ 21 ]} عادةً ما تكون نسبة الانضغاط الديناميكي أقل من نسبة الانضغاط الساكن، ولكن ليس دائمًا. في ظل ظروف معينة، يمكن لقصور الهواء المتدفق في مسار السحب أن يدفع هواءً إضافيًا إلى داخل الأسطوانة حتى بعد بدء المكبس بالارتفاع في شوط الانضغاط. وبالتالي، يمكن "شحن" الأسطوانة بالهواء - عادةً ما يصل إلى حوالي 10% هواءً أكثر من ذلك الناتج عن هندسة الأسطوانة وحدها. يمكن التعبير عن ذلك أيضًا بكفاءة حجمية تبلغ 110%. تُعرف هذه الظاهرة باسم الشحن الفائق بالقصور الذاتي، وتعتمد على الضبط الدقيق لطول مسار السحب. هناك تأثير مشابه ناتج عن موجات الضغط الصوتية التي تتحرك ذهابًا وإيابًا على طول مسار السحب، وتنعكس عن الجزء الخلفي من صمام السحب والنهاية المفتوحة لمسار السحب. عندما تصل موجة ضغط موجبة إلى الصمام لحظة إغلاقه، يمكن دفع كمية إضافية من الهواء إلى الأسطوانة. يُعرف هذا باسم الشحن الفائق الصوتي. يعمل كل من الشحن الفائق بالقصور الذاتي والشحن الفائق الصوتي ضمن نطاق محدود من سرعات المحرك، ولكن يمكن استخدامهما لضبط منحنيات عزم الدوران أو القدرة للمحرك بدقة. يُستخدم ضغط الأسطوانة المطلق لحساب نسبة الانضغاط الديناميكية، باستخدام الصيغة التالية: $${\displaystyle P_{\text{cylinder}}=P_{\text{atmospheric}}\times {\text{CR}}^{\gamma }}$$ أين${\displaystyle \gamma }$هي قيمة متعددة الخواص لنسبة الحرارة النوعية لغازات الاحتراق عند درجات الحرارة الموجودة (هذا يعوض عن ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن الضغط، بالإضافة إلى الحرارة المفقودة إلى الأسطوانة).

في الظروف المثالية (العزل الحراري)، تكون نسبة الحرارة النوعية 1.4، ولكن تُستخدم قيمة أقل، تتراوح عادةً بين 1.2 و1.3، لأن كمية الحرارة المفقودة تختلف بين المحركات بناءً على تصميمها وحجمها والمواد المستخدمة فيها. على سبيل المثال، إذا كانت نسبة الانضغاط الساكن 10:1، ونسبة الانضغاط الديناميكي 7.5:1، فإن قيمة ضغط الأسطوانة المناسبة هي 7.5 × ^1.3 × الضغط الجوي، أو 13.7 بار (مقارنةً بالضغط الجوي). يؤثر تصحيحا نسبة الانضغاط الديناميكي على ضغط الأسطوانة في اتجاهين متعاكسين، ولكن ليس بنفس القوة. المحرك ذو نسبة الانضغاط الساكن العالية وإغلاق صمام السحب المتأخر ستكون له نسبة انضغاط ديناميكية مماثلة لمحرك ذي نسبة انضغاط منخفضة ولكن إغلاق صمام السحب مبكرًا. ^{[ 22 ]} 

• متوسط ​​الضغط الفعال