مقارنة أداء محرك الاحتراق الداخلي

بحث علمي بعنوان

مقارنة أداء محرك الاحتراق الداخلي الذي يستخدم تفريغ الشرارة مع أداء محرك الاحتراق الداخلي الذي يستخدم تفريغ الهالة “الإكليل”

أ. كوثر خالد الصكُوح

ماجستير فيزياء، أكاديمية الدراسات العليا – طرابلس

د.  الهاشمي الأبيض

أستاذ بجامعة الفاتح ورئيس قسم البلازما والاندماج النووي بمركز بحوث تاجوراء-ليبيا

الخلاصة 

يتناول هذا البحث دراسة عملية لأداء محرك احتراق داخلي ذي اسطوانة واحدة ثنائي الأشواط في حالتين عند استخدام شمعة الاشتعال الاعتيادية كبادئ شرارة وعند استخدام سلك رفيع بديل عن الشمعة الاعتيادية ومقارنة الأداء في الحالتين. تمت التجربة في مركز البحوث النووية بتاجوراء في معامل قسم البلازما والاندماج النووي. تتلخص التجربة في إضافة كمية محددة وهي 50ml من الوقود في خزان الوقود للمحرك ويشغل المحرك ويتم قياس الزمن الذي تستهلك فيه كمية الوقود عند كل سرعة. تقاس سرعة دوران المحرك عدة مرات خلال عملية التشغيل ويسجل متوسط السرعة. تعاد التجربة باستخدام سلك الهالة (corona wire) بدلا من شمعة الاحتراق الاعتيادية (spark plug) لغرض المقارنة بين الحالتين. وجد من خلال نتائج المقارنة أن أداء المحرك باستخدام سلك الهالة يتحسن بنسبة تصل إلى حوالي 30% هذا التحسن يكون ناتج عن قدرة سلك الهالة على تسريع التفاعل في خليط الوقود مقارنة بالشمعة التي تحدث شرارة موضعية في الوقود.

نستنتج من هذه الدراسة أنه بتشغيل محركات الاحتراق الداخلي باستخدام السلك (تفريغ الهالة) يمكن توفير كميات كبيرة من الوقود وبالتالي الطاقة كما أن هذه الطريقة لتشغيل المحركات سوف تقلل من العوادم وبالتالي المحافظة على البيئة.

مقـــــدمة  

استخدمت شمعة الإشعال (التفريغ القوسي) لأكثر من 100 عام كأحد مصادر الاشتعال في محركات الاحتراق الداخلي وذلك لأنها تتميز بعدة ميزات يمكن حصرها في: بساطة التصميم، قلة التكاليف، تنتج حرارة عالية تكفي لإحداث تأيين جزئي لمعظم جزيئات الوقود والهواء، على الرغم من ذلك هناك العديد من العيوب في التفريغ القوسي (شمعة الإشعال) ومن أهم هذه العيوب هو المسافة المحدودة بين أقطاب الشمعة. و لكي يحدث التفريغ القوسي في مسافة  2mm نحتاج إلى جهد في حدود6v ]1،2[، هذه المسافة المحدودة تجعل عملية التفريغ تكون موضعية بحيث تشعل المزيج الذي يكون قريباً من الفجوة فقط ولا تصل الشرارة إلى باقي المزيج الموجود في غرفة الاحتراق، ونتيجة لهذا العيب فإن عملية احتراق الوقود تكون غير متكاملة مما ينتج عنها انبعاثات عوادم ضارة مثل أول أكسيد الكربون وغيرها من نواتج الاحتراق الغير متكامل، لذا فإن شمعة الشرارة تكون سبب رئيسي في النسبة المفقودة من الطاقة والمتمثلة في العوادم والتي قد تصل إلى 35% في محركات الاحتراق الداخلي وهذه نسبة كبيرة يكون من المفيد اقتصاديا وبيئيا تقليصها بالوسائل الممكنة. ونتيجة للأسباب المذكورة ظهرت العديد من البحوث التي تحاول إيجاد طرق بديلة لإشعال مزيج الوقود والهواء تكون أكثر فاعلية في عملية الاحتراق. الإشعال المبكر للمزيج الفقير هو أحد الطرق لحل مشكلة الانبعاثات الضارة وزيادة الكفاءة الحرارية، ولكن المزيج الفقير لا يحترق بشكل سريع باستخدام الشمعة العادية نتيجة للأسباب المذكورة لذا فإن أحد الطرق للوصول إلى كفاءة حرارية عالية هو إيجاد حيز واسع أو عدة مواضع للاشتعال لزيادة نسبة احتراق المزيج .استخدام تفريغ (الهالة) هو أحد الطرق التي ظهرت لاستخدامها كبديل عن التفريغ القوسي، الاختبارات التي أجريت في غرف احتراق مضطربة وهادئة (ثابتة الحجم) تشير إلى أن هناك تقليل في زمن تأخر الاشتعال وفي زمن الانضغاط أكثر بثلاث مرات من التفريغ القوسي (spark)، هذه الميزات تعود إلى التصميم الهندسي لشكل الأقطاب عند استخدام تفريغ الكورونا الذي يساعد على توفير حيز أوسع للاشتعال أي عدة أماكن للاشتعال]3،4[.

الوصف التفصيلي لإعدادات التجربة

إعدادات وخطوات التجربة هي كالآتي:

تغيير تصميم رأس الشمعة العادية 

في هذه الدراسة تم إعادة تصميم رأس الشمعة العادية بطريقة تجعل الشرارة تكون شاملة لأكبر مساحة ممكنة في غرفة الاحتراق في محاولة لرفع كفاءة الاحتراق.تم تغيير رأس الشمعة العادية وذلك بقطع القطب الأرضي وثقب القطب المركزي وإدخال سلك رفيع من مادة التنجستن بداخلها بحيث يمثل هذا السلك القطب الموجب أما القطب السالب فيكون سطح المكبس وبهذا تكون مساحة التفريغ كبيرة، قطر هذا السلك حوالي (0.25mm) وطوله (0.5cm).تم استخدام سلك من مادة التنجستن لأنه أكثر تحملا للحرارة كما وأنه السلك المتوفر لدينا في المعمل مع العلم أنه يمكن استخدام أي سلك من نوع آخر وقد يكون من المفيد استخدام مواد غير قابلة للأكسدة. وحيث أنه من المعلوم أنه بزيادة طول السلك ستزداد قنوات التفريغ لذا تمت محاولة زيادة طول السلك وذلك بجعله مرة عبارة عن سلكين مرتبطين ببعضهما وإدخالهما معا في القطب المركزي وزيادة الطول أكثر بجعله أربعة أسلاك مرتبطة معا، تم التصميم بهذه الطريقة لأنه من الصعب جعل السلك أطول من اللازم بسبب المساحة المحدودة لغرفة الاحتراق. والشكل (1) يوضح أنواع الشموع المستخدمة في التجربة.

شكل 1 يوضح أنواع الشموع التي تم استخدامها في التجربة: أقصى اليمين الشمعة العادية ثم تليها شمعة الهالة أحادية القطب وثنائية الأقطاب ورباعية الأقطاب على التوالي.

المحرك المستخدم

المحرك المستخدم في الدراسة هو محرك ثنائي الأشواط ذو إسطوانة واحدة ولا يوجد به صمامات ويتولد التيار في هذا المحرك عن طريق مغناطيس وحركة تقاطع بينه وبين اللفات الابتدائية.

التجــــــربة

تتلخص التجربة في إضافة كمية محددة من الوقود وهي 50ml))عند سرعات تشغيلية مختلفة والتي تم قياسها بعدة طرق (ستذكر لاحقا) وقياس الزمن الذي استغرقه المحرك في استهلاك هذه الكمية بواسطة ساعة إيقاف حيث تشغل عند لحظة إضافة الوقود وتغيير السرعة وإيقافها عندما تستهلك كامل الكمية،  يتم تسجيل قراءات زمن استهلاك الوقود ودرجة حرارة هيكل المحرك عند سرعات تشغيلية مختلفة باستخدام الشمعة العادية أولاً، ثم إعادة إجراء التجربة باستخدام شموع الهالة (الشمعة أحادية القطب وثنائية الأقطاب ورباعية الأقطاب) تباعا.حيث تسجل نفس القراءات السابقة للشمعة العادية بعدها تتم عملية المقارنة بينها. أما بالنسبة لقياس سرعة المحرك (rpm) فكانت بطريقتين مختلفتين لضمان دقة القراءات والتأكد من أنها نفس القراءات في كل مرة وهاتان الطريقتان هما كالآتي:

1. مصدر ضوئي )كشاف( (stroboscope) الذي يكون مقابل العجلة الدوارة والتي يوضع عليها علامة ويقابلها تدريج يوضع على الهيكل. عندما تدور العجلة نتيجة لحركة   عمود المرفق ويطلق الكشاف الذي يكون متصلا بمصدر للجهد بتردد معين وعندما يتساوى تردد الكشاف مع تردد الجسم الدوار يظهر الجسم الدوار وكأنه متوقف، عندها نقوم بتسجيل تردد الكشاف الذي يكون في هذه اللحظة مساويا لتردد الجسم الدوار بوحدات الهيرتز (Hz) ونقوم بتحويلها إلى دورة في الدقيقة (rpm) وذلك بضرب القيمة في (60) وهكذا نحصل على عدد الدورات التي دارها المحرك في كل دقيقة.

2. استخدام المجس المغناطيسي: يثبت ملف صغير ملامس لسلك الشمعة وكل نبضة تمر في سلك الشمعة تكون تيار تأثيري في هذا المجس الذي يكون متصلا بمرقاب (oscilloscope) وعن طريق هذه الإشارة نحسب الزمن بين النبضات ومن هذا الزمن نحسب التردد والتي تكون قيمته تساوي مقلوب الزمن  ثم يتم إدخال هذه الإشارة إلى عداد النبضات حيث يقوم بإعطاء القراءة بالدورة لكل دقيقة بشكل مباشر (rpm) أي سرعة دوران المحرك

الحسابات والنتائج

الحسابات كانت عبارة عن رسومات بيانية للعلاقة بين سرعة المحرك وزمن استهلاك الوقود وكذلك سرعة المحرك ودرجة حرارته لكل نوع من الشموع المستخدمة في المحرك حيث كانت كما يلي:

أولا: العلاقة بين سرعة المحرك وزمن استهلاك الوقود.

شكل 2 يوضح الفرق في زمن استهلاك الوقود لكل من المحرك الذي يستخدم الشمعة العادية والمحرك الذي يستخدم سلك الهالة (الأحادي والثنائي والرباعي).

من الشكل 2 نلاحظ أن أقصى زمن سجل لاستهلاك نفس كمية الوقود بالنسبة للشمعة كان 4.76min عند السرعة  1327.8 rpmأما أقصى زمن لاستهلاك الوقود الذي سجله سلك الهالة أحادي القطب فكان 5.48 min عند السرعة 1438.17 rpm أما بالنسبة لسلك الهالة ثنائي الأقطاب فقد سجل أعلى زمن لاستهلاك الوقود عند السرعة 1629.2 rpm وكان 5.817 min أما أقصى زمن سجله سلك الهالة رباعي الأقطاب فكان  6.75 minعند السرعة 1735 rpm ونلاحظ أنه أعلى زمن سجل مقارنة بالشمعة العادية وأسلاك الهالة الأخرى.

الرسم البياني السابق يوضح الفرق في زمن استهلاك الوقود عند استخدام كل من الشمعة العادية وشموع الهالة عند سرعات تشغيلية مختلفة. ولتبيين الفروق بشكل أوضح تم اختيار سرعات تشغيلية محددة لكل نوع من أنواع الشموع المستخدمة وإخراج نسب التحسن عند كل سرعة كما هو موضح بالجدول 1.

ونلاحظ أن نسبة التحسن تزداد بزيادة عدد الأقطاب لسلك الهالة فمثلا نسبة التحسن للسلك الأحادي مقارنة بالشمعة العادية عند السرعة  1000rpmكانت 18% بينما عند استخدام السلك الثنائي فكانت 58% أما السلك الرباعي فكانت نسبة تحسنه كبيرة وهي 90% وذلك عند نفس السرعة التشغيلية.

نسب التحسن الكبيرة تعود إلى الميزات التي تتميز بها أسلاك الهالة (تفريغ الهالة) عن الشمعة العادية (التفريغ القوسي) والتي تجعلها أكثر كفاءة في عملية الاحتراق والاشتعال، ويمكن وصفها بأن لها خصائص التدفق الإشعاعي وتتميز بعدة مميزات:

1. تأخذ الكورونا مجالا كبيرا للتفريغ أي أن لها قنوات كثيرة للتفريغ لهذا فإنها تعطي مجالا أكبر للاحتراق وقد وجد أنه يمكن أن يكون لها عشرات أو المئات من قنوات التفريغ في حين أن التفريغ ألقوسي يكون لديه قناة تفريغ واحدة.

2. طاقة الإلكترونات في التفريغ بالبلازما تكون حوالي (10-20 e.v) وهذه الطاقة تكون قريبة جدا من طاقة التفكك والتأين لكثير من الذرات أما طاقة الإلكترونات الناتجة من التفريغ القوسي فتكون حوالي (1 e.v).

3. تسريع عملية الاحتراق وقنوات التفريغ الكثيرة ينتج عنها حرق كمية وقود أكبر من التفريغ القوسي )عن طريق الشمعة) وبالتالي تقل نسبة أول أكسيد الكربون الناتجة [3].

4. نستطيع ضبط شكل وحجم الإشعال عن طريق التحكم في تصميم الكاثود والأنود]1[.

وعند مقارنة أسلاك الهالة معاً تتأكد النتيجة السابقة بأن نسبة التحسن في زمن استهلاك الوقود تزداد بزيادة عدد الأقطاب لسلك الهالة والجدول 2 يوضح ذلك.

يتبين لنا أنه عند مقارنة سلك الهالة الأحادي مع سلك الهالة الثنائي فإن نسبة أعلى نسبة تحسن قد وصلت إلى 33% وعند مقارنة سلك الهالة الأحادي مع سلك الهالة الرباعي فإن أعلى نسبة تحسن قد وصلت إلى 61% أما عند مقارنة سلك الهالة الثنائي مع سلك الهالة الرباعي فإن نسبة التحسن قد وصلت إلى أعلى من 20% وذلك عند نفس السرعة أما باقي السرعات فقد أظهرت نسب تحسن متفاوتة.

ثانيا: العلاقة بين سرعة المحرك ودرجة حرارة هيكل المحرك قرب الرأس.

يتبين لنا أنه عند مقارنة سلك الهالة الأحادي مع سلك الهالة الثنائي فإن نسبة أعلى نسبة تحسن قد وصلت إلى 33% وعند مقارنة سلك الهالة الأحادي مع سلك الهالة الرباعي فإن أعلى نسبة تحسن قد وصلت إلى 61% أما عند مقارنة سلك الهالة الثنائي مع سلك الهالة الرباعي فإن نسبة التحسن قد وصلت إلى أعلى من 20% وذلك عند نفس السرعة أما باقي السرعات فقد أظهرت نسب تحسن متفاوتة.

ثانيا: العلاقة بين سرعة المحرك ودرجة حرارة هيكل المحرك قرب الرأس.

يتبين لنا أنه عند مقارنة سلك الهالة الأحادي مع سلك الهالة الثنائي فإن نسبة أعلى نسبة تحسن قد وصلت إلى 33% وعند مقارنة سلك الهالة الأحادي مع سلك الهالة الرباعي فإن أعلى نسبة تحسن قد وصلت إلى 61% أما عند مقارنة سلك الهالة الثنائي مع سلك الهالة الرباعي فإن نسبة التحسن قد وصلت إلى أعلى من 20% وذلك عند نفس السرعة أما باقي السرعات فقد أظهرت نسب تحسن متفاوتة.

ثانيا: العلاقة بين سرعة المحرك ودرجة حرارة هيكل المحرك قرب الرأس.

ومن الجدول3 يتضح لنا: (أ) أن درجات حرارة المحرك تكون متقاربة عند استخدام الشمعة العادية وعند استخدام سلك الهالة أحادي القطب ونجد أنها تتساوى تقريبا في بعض الحالات كما نراها عند السرعات 1200 rpm و1400 rpm ويمكن أن ترتفع قليلا بمقدار ثلاثة أو أربعة درجات في بعض السرعات وذلك للأسباب المذكورة سابقاً،(ب) كما يتضح لنا أيضا أن درجات حرارة المحرك عند استخدام سلك الهالة ثنائي الأقطاب تكون أقل بدرجة أو درجتين مقارنة بدرجات حرارة المحرك عند استخدام الشمعة العادية وذلك في معظم الحالات وتساوت تقريبا عند السرعة 3100 rpm وهذه نتيجة جيدة للسلك الثنائي،(ج) أما عند مقارنة درجات حرارة المحرك عند استخدام سلك الهالة ثنائي الأقطاب بدرجات حرارة المحرك عند استخدام سلك الهالة أحادي القطب نجد أن درجات حرارة السلك الثنائي تكون أقل بمقدار أربع أو خمسة درجات وهذه أيضا نتيجة جيدة للسلك الثنائي.

الخــــاتمة: 

من خلال كل النتائج السابقة التي تم مناقشتها نستنتج ما يلي:

أولا: نتائج مقارنة الشمعة العادية بسلك الهالة 

1. عند مقارنة المحرك الذي يستخدم الشمعة العادية مع المحرك الذي يستخدم سلك الهالة أحادي القطب وجد أن سلك الهالة أحادي القطب يستغرق زمنا أطول في استهلاك نفس كمية الوقود مقارنة بالشمعة الاعتيادية وذلك في كل السرعات مما يدل على زيادة كفاءة الاحتراق عند استعمال السلك الأحادي حيث وصلت نسبة التحسن إلى 25%. أما بالنسبة لدرجات الحرارة فلاحظنا أن المحرك الذي يستخدم السلك الأحادي تكون درجة حرارته متقاربة عند معظم السرعات مع درجات حرارة المحرك الذي يستخدم الشمعة العادية وممكن أن ترتفع قليلاً في حالات معينة.

2. بإجراء مقارنة بين المحرك الذي يستخدم سلك الهالة الثنائي مع المحرك الذي يستخدم الشمعة العادية كانت النتائج التي تم الحصول عليها تبين أن المحرك الذي يستخدم سلك الهالة ثنائي الأقطاب قد سجل نسب تحسن واضحة في كل السرعات بنسبة تصل إلى 30%. أما عند مقارنة درجات الحرارة لكلا المحركين فكانت النتيجة جيدة أيضا لسلك الهالة الثنائي حيث سجل المحرك الذي يستخدم السلك الثنائي درجات حرارة أدنى وذلك في معظم السرعات وبصفة عامة فإن نتائج السلك الثنائي كانت أفضل نتائج تم الحصول عليها عند مقارنته بالشمعة العادية.

3. بمقارنة المحرك الذي يستخدم سلك الهالة رباعي الأقطاب مع المحرك الذي يستخدم الشمعة العادية كانت نسب التحسن في زمن استهلاك الوقود عالية جدا بالنسبة للسلك الرباعي حيث وصلت إلى 45%.

ثانيا: نتائج المقارنة بين أسلاك الهالة (أحادية القطب وثنائية الأقطاب ورباعية الأقطاب) 

1. عند مقارنة المحرك الذي يستخدم سلك الهالة الأحادي بالمحرك الذي يستخدم سلك الهالة الثنائي وجدنا أن النتيجة كانت إيجابية بالنسبة للسلك الثنائي حيث وصلت نسبة التحسن إلى 11%عند مقارنته بالسلك الأحادي وبالنسبة لدرجات الحرارة فقد سجلت نتائج جيدة للسلك الثنائي عند كل السرعات حيث وجد أن المحرك الذي يستخدم سلك الهالة الثنائي تنخفض درجة حرارته بشكل واضح مقارنة بالسلك الأحادي.

2. نتائج المحرك الذي يستخدم السلك الرباعي أظهرت نسبة تحسن عالية بالنسبة لزمن استهلاك الوقود تصل إلى حوالي 34% عند مقارنته بالمحرك الذي يستخدم سلك الهالة أحادي القطب.

3. عند مقارنة المحرك الذي يستخدم سلك الهالة الثنائي مع المحرك الذي يستخدم سلك الهالة الرباعي كانت نسبة التحسن في زمن استهلاك الوقود إيجابية للمحرك الذي يستخدم السلك الرباعي حيث وصلت النسبة إلى 20% عند مقارنتها بالسلك الثنائي.

أخيرا:

من 1 و 2 و3 نستنتج أن نسبة التحسن في زمن استهلاك الوقود تزداد تدريجيا بزيادة عدد الأقطاب وذلك نتيجة لزيادة قنوات التفريغ التي تساعد على زيادة تسريع التفاعل وهذه أهم ميزة تتميز بها أسلاك الهالة كما نستنتج أيضا انخفاض درجة حرارة المحرك كلما ازدادت نسبة التحسن وذلك في معظم الحالات تقريبا هذا يدل على استغلال الفاقد الحراري في زيادة كفاءة الاحتراق وتقليل نسبة العوادم الناتجة.

الحالات 4 و 5 و6 تؤكد النتيجة السابقة حيث وجدنا أن نسبة التحسن في زمن استهلاك الوقود تزداد بزيادة عدد الأقطاب لسلك الهالة في كل الحالات مما يدل على الميزة التي تتميز بها أسلاك الهالة عن الشمعة الاعتيادية كذلك بالنسبة لدرجات الحرارة حيث وجدنا أن درجة حرارة المحرك تنخفض بزيادة نسبة التحسن في زمن استهلاك الوقود وذلك في معظم الحالات.

وبصفة عامة نستنتج أن:

إن تفريغ الكورونا (تفريغ الهالة) يساعد في تسريع عملية الاحتراق وتحويل الفاقد من الوقود إلى طاقة يستفاد منها في تحريك المحرك. إن هذه الدراسة أوضحت أن كفاءة المحرك قد زادت بنسبة أكبر من 20% في معظم الحالات وهو ما يدل على أنه باستخدام سلك الهالة سواء كان أحادي أو ثنائي أو رباعي الأقطاب كبديل عن شمعة الإشعال الاعتيادية من شأنه أن يزيد من كفاءة الاحتراق للوقود وهذا سيكون له أثر كبير في توفير كميات كبيرة من الطاقة المتمثلة في الوقود. بالإضافة إلى ذلك فإن زيادة كفاءة حرق الوقود يقلص العوادم الضارة مثل أول أكسيد الكربون وهو ما يعني المحافظة على البيئة.

المراجع

1. Martin Gundersen, “Energy-efficient transient plasma ignition and combustion”, Usc Dept. of electrical engineering-electrophysics.

2. My Ngo, “Determination of minimum ignition energy(MIE) of premixed propane/Air” University of Bergen, Norway, 2009.

3. Jianbang Liu and others, ”Effect of discharge energy and cavity geometry on flame ignition by transient plasma” University of southern California, lose Angeles, CA 90089.2004.

4. Joint Meeting of the U.S.section of the combustion institute, 2005.