فرقة موسيقية قوية
نطاق القدرة لمحرك الاحتراق الداخلي أو المحرك الكهربائي هو نطاق سرعات التشغيل الذي يستطيع فيه المحرك أو المحرك توليد أقصى قدرة ، أي أقصى طاقة لكل وحدة زمنية. وهذا يعني عادةً إمكانية تحقيق أقصى تسارع ضمن هذا النطاق (غالباً على حساب انخفاض الكفاءة). وبينما تتمتع المحركات بنطاق واسع من سرعات التشغيل، فإن نطاق القدرة عادةً ما يكون نطاقاً أصغر بكثير من سرعة المحرك، أي نصف أو أقل من نطاق سرعة المحرك الكلي [ 1 ] (المحركات الكهربائية استثناء - انظر القسم الخاص بالمحركات الكهربائية أدناه).
يُقصد بنطاق القدرة نطاق سرعة دوران المحرك (RPM) حول ذروة القدرة الناتجة . يبدأ نطاق قدرة محرك الاحتراق الداخلي الذي يعمل بالبنزين في السيارات عادةً عند سرعات دوران متوسطة (حوالي 4000 دورة في الدقيقة) حيث يتم إنتاج أقصى عزم دوران ، وينتهي دون الخط الأحمر بعد الوصول إلى أقصى قدرة (عادةً بين 6200 و6800 دورة في الدقيقة). أما محركات الديزل في السيارات والشاحنات الصغيرة، فقد تُنتج أقصى عزم دوران عند أقل من 2000 دورة في الدقيقة، مع ذروة القدرة عند حوالي 4000 دورة في الدقيقة أو أقل.
التطبيقات
صُممت ناقلة الحركة الميكانيكية المزودة بمجموعة متنوعة من نسب التروس لتوفير طاقة كافية على امتداد نطاق سرعات المركبة. والهدف من اختيار نسب التروس هو الحفاظ على تشغيل المحرك ضمن نطاق طاقته الأمثل. كلما ضاق هذا النطاق، زادت الحاجة إلى تروس متقاربة النسب. من خلال اختيار التروس بعناية، يمكن تشغيل المحرك ضمن نطاق طاقته الأمثل، عند جميع سرعات المركبة. يمنع هذا الاستخدام المحرك من بذل جهد كبير عند السرعات المنخفضة، أو تجاوز سرعات التشغيل الموصى بها.
غالبًا ما يُعوَّض نطاق الطاقة الضيق بجهاز لتقسيم الطاقة، مثل القابض أو محول عزم الدوران، لتحقيق نطاق واسع من السرعات بكفاءة. كما يمكن لناقل الحركة المتغير باستمرار تجنب مشاكل نطاق الطاقة الضيق من خلال الحفاظ على تشغيل المحرك عند السرعة المثلى.
محركات الاحتراق الداخلي
في محركات الاحتراق الداخلي التقليدية الموجودة في المركبات، يكون عزم الدوران منخفضًا عند سرعة التباطؤ، ويبلغ ذروته بين 1500 و6500 دورة في الدقيقة، ثم ينخفض بشكل حاد تقريبًا باتجاه الحد الأقصى للدوران . تحت سرعة الدوران التي يحقق عندها عزم الدوران الأقصى، لا تكون سرعة تدفق الهواء الداخل، وبالتالي لا يكون مزج الهواء والوقود مثاليًا. فوق هذه السرعة، تبدأ عدة عوامل في الحد من عزم الدوران، مثل ازدياد الاحتكاك، والوقت اللازم لإغلاق الصمامات والاحتراق، وعدم كفاية تدفق الهواء الداخل. ونظرًا لزيادة الاهتزاز والحرارة، قد يتم تركيب محدد خارجي لعدد دورات المحرك في الدقيقة. القدرة هي حاصل ضرب عزم الدوران في سرعة الدوران (على غرار حاصل ضرب القوة في السرعة في نظام خطي)، لذا تُنتج ذروة القدرة في نطاق السرعات العالية حيث يكون كل من عزم الدوران وعدد دورات المحرك في الدقيقة مرتفعين.
في المحركات المزودة بشاحن توربيني وشاحن فائق والتي تتمتع بإمكانية توليد عزم دوران كبير، غالبًا ما يحد نظام تنظيم ضغط السحب من عزم الدوران إلى رقم ثابت تقريبًا عبر نطاق سرعة المحرك لتقليل الضغوط على المحرك وتوفير تحكم متسق دون تقليل ذروة الطاقة.
محركات البنزين
يمكن أن تتجاوز نطاقات القدرة 14000 دورة في الدقيقة في الدراجات النارية وبعض سيارات السباق، مثل سيارات الفورمولا 1. وتُحقق هذه السرعات العالية باستخدام مكابس خفيفة الوزن وقضبان توصيل ذات أشواط قصيرة لتقليل القصور الذاتي، وبالتالي تقليل الإجهاد على الأجزاء. وبالمثل، تُسهم التطورات في تكنولوجيا الصمامات في تقليل تذبذب الصمامات عند هذه السرعات. ومع ازدياد حجم المحرك (وخاصةً شوطه)، ينتقل نطاق قدرته إلى سرعات أقل.
في التطبيقات الأكثر شيوعًا، يمكن لمحرك بنزين حديث، مصمم ومُهندس جيدًا، يعمل بنظام حقن الوقود ، ومُتحكم به بواسطة الكمبيوتر ، ومتعدد الصمامات ، ومجهز اختياريًا بتوقيت صمامات متغير، أن يحقق مرونة ملحوظة في تطبيقات السيارات، مع عزم دوران كافٍ حتى عند سرعات المحرك المنخفضة، وقدرة ثابتة نسبيًا من 1500 إلى 6500 دورة في الدقيقة، مما يسمح بقيادة مريحة وسلسة عند السرعات المنخفضة. ومع ذلك، فإن تحقيق أقصى قدرة للتسارع القوي أو السرعات العالية على الطريق لا يزال يتطلب دورات محرك عالية. على الرغم من أن نطاق القدرة الفعلي يغطي معظم نطاق دورات المحرك التشغيلية، خاصة في الترس الأول (لعدم وجود ترس أدنى للانتقال إليه، وعدم وجود "نقطة ثبات" لا ينتج فيها المحرك أي قدرة)، فإن النطاق الفعال يتغير في كل ترس، ليصبح النطاق المحدود في نهايته العليا إما بواسطة محدد السرعة، أو نقطة تقع تقريبًا بين ذروة القدرة والخط الأحمر حيث تنخفض القدرة، وفي نهايته السفلى سرعة دوران المحرك في وضع الخمول.
محركات الديزل
تتميز محركات الديزل النموذجية المخصصة للطرقات (عالية السرعة) بنطاق عزم دوران أضيق، حيث تولد ذروة عزم الدوران عند عدد دورات منخفض (غالباً 1500-2000 دورة في الدقيقة)، ولكن مع انخفاض حاد في العزم دون هذا النطاق، وتصل إلى ذروة القدرة عند حوالي 3500-4500 دورة في الدقيقة، ثم تفقد قوتها بسرعة فوق هذه السرعة. وقد تظهر هذه الخاصية بشكل أوضح في محركات الديزل المزودة بشاحن توربيني والتي تعاني من تأخر استجابة التوربو (نطاق عزم دوران ضيق ومبالغ فيه، وهو سمة متأصلة في معظم المحركات المزودة بشاحن توربيني). لذلك، يُعد اختيار نسب التروس من قِبل الشركة المصنعة (أو المشتري/المُعدِّل)، والاستخدام الأمثل للنسب المتاحة، أمراً بالغ الأهمية لتحقيق أقصى استفادة من القدرة المتاحة وتجنب التباطؤ في السرعات المنخفضة.
تستخدم محركات الديزل الكبيرة في القاطرات وبعض المركبات المائية أنظمة دفع ديزل-كهربائية. وهذا يلغي تعقيدات نسب التروس المنخفضة للغاية، كما هو موضح أدناه.
أكبر محركات الديزل ("منخفضة السرعة") - المولدات الكبيرة على اليابسة ومحركات الديزل البحرية في البحر - قد تدور بسرعة لا تتجاوز بضع مئات من الدورات في الدقيقة أو حتى أقل، حيث تصل سرعة دورانها في وضع الخمول إلى 20-30 دورة في الدقيقة. وعادةً ما تكون هذه المحركات ثنائية الأشواط .
المحركات الكهربائية
تتميز المحركات الكهربائية بخصائص فريدة من نوعها، لا سيما فيما يتعلق بنطاق الطاقة. وتختلف هذه الخصائص اختلافًا كبيرًا باختلاف نوع المحرك. يبلغ عزم الدوران الأقصى للمحرك العام (المكنسة الكهربائية، والآلات الصغيرة، والمثاقب، ومحركات التشغيل) عند سرعة دوران صفرية (عند التوقف)، ويتناقص مع زيادة سرعة الدوران. أما بالنسبة للمحركات الحثية المتصلة بمصدر تيار متردد بتردد ثابت (وهي الأكثر شيوعًا في التطبيقات الكبيرة)، فيكون عزم الدوران الأقصى عادةً أقل بقليل من سرعة الدوران التزامنية، ثم ينخفض إلى الصفر عند هذه السرعة، ويصبح سالبًا فوقها (المولد الحثي)؛ وعند سرعات الدوران المنخفضة، يكون عزم الدوران عادةً أقل قليلاً. ولا يمكن استخدام المحركات التزامنية إلا عند سرعة الدوران التزامنية لمصدر التيار المتردد. في التطبيقات الحديثة، تُستخدم المحركات التزامنية والحثية المزودة بتحكم إلكتروني في التردد، مثل محركات التيار المستمر عديمة الفرش . في هذه الحالة، ما لم تُفرض قيود خارجية، يُحقق عزم الدوران الأقصى عند سرعات دوران منخفضة.
على سبيل المثال، يُنتج محرك التيار المتردد الموجود في سيارة تسلا رودستر (2008) عزم دوران أقصى ثابت تقريبًا من 0 إلى حوالي 6000 دورة في الدقيقة، بينما تبلغ القدرة القصوى حوالي 10000 دورة في الدقيقة، بعد فترة طويلة من بدء انخفاض عزم الدوران. ويبلغ الحد الأقصى لدوران محرك رودستر 14000 دورة في الدقيقة. وقد تُنتج محركات كهربائية أخرى عزم دوران أقصى في جميع نطاقات تشغيلها، على الرغم من أن سرعة تشغيلها القصوى قد تكون محدودة لتحسين الموثوقية.
التوربينات الغازية
بالمقارنة، تعمل التوربينات الغازية عند سرعة دوران عالية للغاية، وتتميز بنطاقات طاقة ضيقة، وضعف في التحكم في الخانق واستجابة الخانق.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ "شرح عزم الدوران وقوة المحرك" . أليكس موير . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 مايو 2024 .
- تكنولوجيا المحركات
- تقنية المحركات ثنائية الأشواط