سحب قسري

محركات الديزل

ومن جهة أخرى، لا تحدث مشاكل الإشعال المسبق في محركات الديزل، بسبب أن الوقود يُحقن في نهاية شوط الانضغاط، لذلك تُستعمل نسبة انضغاط مرتفعة.

علاوةً على ذلك، يسمح مدى السرعات الضيق الذي يعمل عليه محرك الديزل بأن يستعمل شاحن توربيني واحد لتشغيل المحرك عند جميع السرعات. تستطيع كذلك الشواحن التوربينية أن تعطي ضغط معزز أكبر من ذلك الذي يعطيه الشاحن التوربيني الفائق، الأمر الذي يعتبر ضرورياً لأغلب محركات الديزل.

ومن جهة أخرى، تستعمل أغلب محركات الديزل الحديثة شاحن توربيني، وذلك لأن غازات العادم الناتجة من محرك الديزل تتدفق بقوة، مما يجعلها مناسبة جداً لتشغيل الشاحن التوربيني.

التبريد البيبني

إضافةً إلى ذلك، تزداد كثافة شحنة الهواء عند انخفاض درجة حرارته، وبهذه الطريقة يوفر المبرد البيني إمكانية العمل عند نسب انضغاط أعلى، وتحقيق الاستفادة الكاملة من الضواغط المتتالية.

وعلى صعيد آخر، إن العيب الوحيدة للمبرد البيني تكمن في حجمه الذي يقترب من حجم المشعاع، إلى جانب الأنابيب الملحقة به.

وفي السياق ذاته، أحد التأثيرات الجانبية للسحب القسري التي لا يُمكن تجنبها هي ارتفاع درجة حرارة الهواء عند انضغاطه، مما يؤدي لانخفاض كثافة الهواء وبالتالي تستقبل الأسطوانات كمية هواء أقل من تلك التي كان يجب أن يوفرها نظام السحب القسري، كما يزداد خطر حدوث الإشعال اللحظي.

إضافةً إلى ذلك، يتم التغلب على هذه المساوئ بتبريد شحنة الهواء الخارجة من الشاحن التوربيني أو الشاحن التوربيني الفائق، وذلك بتمريرها في مبادل حراري يُطلق عليه المبرد البيني. تُبرد شحنة الهواء بتيار متدفق من الهواء عند درجة حرارة الجو ويُسمى المبرد هنا المبرد البيني للهواء بواسطة الهواء، كما تُبرد كذلك بواسطة سائل وُطلق على المبرد هنا المبرد البيني للهواء بواسطة سائل.

الشواحن التوربينية

وعلى صعيد آخر، إن الميزة الأساسية للشاحن التوربيني هي أنه يستهلك قدرة من المحرك أقل مما يستهلك الشاحن التوربيني الفائق، بينما العيب الأساسي له هو أنه يتأخر في الاستجابة للمحرك إلى حدّ كبير، نظراً لاحتياجه للوقت حتى يصل لسرعة الدوران المطلوبة. يُعرف هذا التأخير في استجابة الشاحن التوربيني بمسمى التأخر التوربيني.

ومن جهة أخرى، يُعتبر العمر التشغيلي المحدود للتربينة أحد المشاكل الشائعة في الشاحن التوربيني، ويرجع ذلك إلى درجات حرارة العادم المرتفعة التي يُمكن أن تتحملها التربينة، وتأثير التربينة على تدفق العادم.

من جانب آخر، عندما يكون الشاحن التوربيني صغيراً، فإنه يدور أسرع ويعطي الضغط المعزز كاملاً عند سرعات المحرك المنخفضة، لكن الضغط المعزز سينخفض عند سرعات المحرك المرتفعة، بينما إن كان الشاحن التوربيني كبيراً فسيقدم أداءاً جيداً عند السرعات المرتفعة.

من جهة ثانية، يعتمد الشاحن التوربيني على حجم وسرعة غازات العادم لإدارة تربينة متصلة بضاغط بواسطة عمود دوران مشترك. يُمكن التحكم في الضغط المعزز الناتج من الشاحن التوربيني بواسطة مجموعة من صمامات التنفيث وأجهزة التحكم الإلكترونية.

حقن المياه

ومن ناحية أخرى، يُعتبر حَقن المياه وسيلة أخرى لتبريد شحنة الهواء لتفادي حدوث الإشعال اللحظي. يُخلط الميثانول مع المياه ليعمل كمانع تجمد إلى جانب تصرفه كوقود بطئ الاحتراق. لا يضيف حقن المياه قدرة إضافية للمحرك على عكس أكسيد النيتروز أو السحب القسري، لكنه يسمح بزيادة قدرة المحرك بأمان.

في هذا الإطار، يُمكن زيادة الضغط المعزز بأمان بدون استخدام وقود ذو رقم أوكتان مرتفع، وذلك بسبب انخفاض درجة حرارة وكثافة شحنة الهواء. يُستعمل حقن المياه غالباً في تطبيقات السباقات، ومع ذلك فقد اتضح كونه مفيداً ليُستعمل على نطاق أوسع.

وعلى صعيد آخر، يحدث حقن المياه عن طريق رش المياه في شحنة الهواء المضغوطة. تمتص المياه الحرارة من الهواء بينما تتبخر لتبريده، وتخفض درجات حرارة الاحتراق. يعتبر الكحول كذلك الموجود في الشحنة وقوداً أبرد من البنزين ويحترق أبطئ منه.

اعتبارات تصميمية

كذلك، تتضمن اعتبارات التصميم مضخة وحاقنات الوقود والمكابس وأذرع التوصيل وأعمدة المرفق والصمامات وحشية الرأس وبراغي الرأس. تعتمد القيمة القصوى الممكنة للضغط المعزز على رقم أوكتان الوقود واتجاه المحرك لحدوث الإشعال اللحظي. يُمكن أن يُستعمل البنزين عالي الجودة أو بنزين السباق لمنع حدوث الإشعال اللحظي ضمن حدود معينة.

إضافةً إلى ذلك، يؤثر تصميم محركات البنزين ونسبة الانضغاط على القيمة القصوى الممكنة للضغط المعزز. يجب أن تُستبدل أو تطور بعض أجزاء المحرك عن تلك الموجودة في محرك التنفسس الطبيعي، للحصول على قدرة أكثر عند مستويات الضغط المعزز الأعلى.

إضافةً إلى ذلك، يُمكن لمحركات الديزل كذلك أن تستعمل قيم للضغط المعزز أكبر من تلك في حالة محركات البنزين، وذلك بسبب أن الهواء فقط هو الذي ينضغط خلال شوط الانضغاط ثم يُحقن الوقود في النهاية، مما يزيل مشكلة حدوث الفرقعة بشكل كامل.

ومن جهة أخرى، يُمكن استخدام ضغط معزز أكبر عند استخدام الميثانول والإيثانول والغاز النفطي المسال والغاز الطبيعي المضغوط أكثر من ذلك عند استخدام البنزين، وذلك بسبب مقاومة أنواع الوقود السابقة المرتفعة للإشعال الذاتي.

أكسيد النيتروز

من جانب آخر، يعتبر غاز أكسيد النيتروز (صيغته الكيميائية :N2O) المعروف بغاز الضحك، مزوداً للأكسجين للمحركات ذات السحب القسري، وذلك بسبب أنه يتكون من 36% أكسجين مقارنة بنسبة الأكسجين في الهواء الجوي البالغة 23.6%.

ومن جهة أخرى، يستعمل سائقي السباقات أكسيد النيتروز بوضعه في زجاجات عند مدخل الهواء للمحرك، ثم يقوموا بإطلاقه بواسطة زر تحكم للحصول على مقدر إضافي من القدرة لفترة قصيرة.

الشواحن التوربينية الفائقة

علاوةً على ذلك، يستعمل شاحن روتس التوربيني الفائق ريشتان على أسطوانتين يدوران لدفع الهواء إلى مدخل المحرك. يمتاز هذا النوع من الضاغط بإنتاجه لنفس نسبة الضغط عند أي سرعة للمحرك، وذلك بسبب كونه ضاغط موجب الإزاحة.

وفي هذا السياق، الشاحن التوربيني الفائق اللولبي هو كذلك ضاغط موجب الإزاحة مثل شاحن روتس، لكن تصنيعه يكون أكثر صعوبة من تصنيع شواحن روتس الفائقة، ومع ذلك فإنه أكثر كفاءة في العمل وإنتاج هواء أكثر برودة.

وفي هذا الصدد، الشاحن التوربيني الفائق الطارد مركزي ليس ضاغطاً موجب الإزاحة، ويكون له عادة كفاءة حرارية أفضل من شاحن روتس. تكون شواحن الطرد المركزي التوربينية الفائقة أصغر حجماً وأسهل في الاستخدام مع المبرد البيني.

وفي السياق ذاته، لا تستغرق الشواحن التوربينية الفائقة وقتاً لتبدأ بالاستجابة وإعطاء الضغط، حيث أنها تكون متصلة ميكانيكاً بالمحرك وتدور بشكل يتناسب مع سرعة المحرك، كما أنها لا تشبه الشواحن التوربينية بسبب استخدامها للعزم الناتج من المحرك حتى تعمل، وبالفعل ينتج عن ذلك فقداً في القدرة والكفاءة.

أنواع الضواغط

إضافةً إلى ذلك، يُستعمل نوعان من الضواغط في السحب القسري، وهما الشاحن التوربيني والشاحن التوربيني الفائق. الشاحن التوربيني هو ضاغط يُدار بواسطة غازات العادم، أما الشاحن التوربيني الفائق فيستعمل أنواع مختلفة من الضواغط لكنها جميعاً تُدار ميكانيكاً من المحرك بواسطة حزام عادة.

إضافةً إلى ذلك، يُمكن أن يكون الضاغط إما من النوع الطارد المركزي أو نوع روتس أو موجب الإزاحة، ويعتبر الشاحن التوربيني الفائق اللولبي والضاغط المكبسي من أمثلة الضواغط الداخلية.

الدراجات النارية

انظر كذلك

محرك التنفس الطبيعي

من جهة ثانية، تتضمن اعتبارات التصميم الفريدة للدراجات النارية التوصيل المتحكم فيه للقدرة ومواد غلاف المحرك للتخلص من الحرارة، والحجم ومركز الثقل المطلوب.

الاستخدام

وعلى صعيد آخر، ينتج عن الانضغاط المرتفع درجات حرارة مرتفعة، والتي بدورها تؤدي لانبعاثات أكثر من أكاسيد النيتروجين، وبالتالي فإن السحب القسري يُزيد من انبعاثات أكاسيد النيتروجين.

وفي هذا الصدد، تستفيد المحركات ذات الانضغاط الكبير بكمية طاقة مفيدة أكبر لكل وحدة وقود، ولذلك تزداد الكفاءة الحرارية للمحرك تماشياً مع تحليل القانون الثاني للديناميكا الحرارية لدورة القدرة البخارية.

وفي السياق ذاته، يُستعمل السحب القسري في السيارات والطائرات لزيادة قدرة وكفاءة المحرك . يتضمن محرك السحب القسري ضاغطان على التوالي. يكون شوط الانضغاط هو عملية الانضغاط الأساسية التي يحتويها كل محرك، بينما يقوم ضاغط إضافي بسحب الهواء لمدخل المحرك مسبباً السحب القسري.

علاوةً على ذلك، يُمكن للانضغاط المرتفع في محرك السحب الطبيعي أن يضع المحرك على بداية حدوث الإشعال اللحظي بكل سهولة، لكن المحرك ذو السحب القسري يمكن أن يحتوي على انضغاط أعلى بدون أن يتعرض للإشعال اللحظي، وذلك لأن شحنة الهواء يتم تبريدها بعد المرحلة الأولى للانضغاط باستخدام مبرد بيني.

في هذا الإطار، إن السبب وراء عدم كون كل المحركات مرتفعة الانضغاط هو أنه يكون لكل وقود ذو رقم أوكتان معين نسبة انضغاط طبيعية، وإن زادت يشتعل الوقود تلقائياً قبل الآوان. يُسمى ذلك الإشعال المسبق أو الإشعال اللحظي أو فرقعة المحرك، ويُمكن أن يسبب ضرراً كبيراً للمحرك.

إضافةً إلى ذلك، أحد المصطلحات المهمة في انبعاثات محرك الاحتراق الداخلي هو معامل أكاسيد النيتروجين، أو كمية مركبات الأكسجين أو النيتروجين التي ينتجها المحرك. يُتحكم في مستوى هذه الانبعاثات بواسطة لوائح حكومية مبينة على الاختبارات.

ومن ناحية أخرى، تتسبب عملية الانضغاط المتوالي للهواء في زيادة نسبة الانضغاط الكلية للمحرك. يُسمى ضغط السحب الناتج عن الضاغط الإضافي بالضغط المعزز، ويُساعد ذلك محركات الطائرات للعمل على ارتفاعات كبيرة حيث تكون كثافة الهواء منخفضة.