ضریب تراکم به زبان ساده - مجله جهانگیر

بیت ران: بعضی ها فکر می نمایند پیشرانه ای که ضریب تراکم 12، 14 یا حتی بیشتر دارد، یعنی حتماً قوی تر و بهتر است. در حالی که داستان بسیار پیچیده تر از این حرف هاست و اتفاقاً مهندسی پیشرانه در همین نقطه آغاز می گردد. پس با ما همراه باشید.

ضریب تراکم به زبان ساده

برای فهم ساده موضوع، تصور کنید داخل هر سیلندر یک سرنگ بسیار بزرگ داریم که پیستون آن بالا و پایین می رود. هنگامی که پیستون در پایین ترین نقطه حرکت خود قرار گرفته است، بیشترین حجم ممکن در اختیار مخلوط هوا و سوخت است. به این نقطه حجم کل سیلندر یا در بیان دقیق تر، مجموع حجم جابجایی پیستون و حجم فضای به جای مانده بالای پیستون گفته می گردد. وقتی پیستون به بالاترین نقطه حرکت خود می رسد، بخش عمده این فضا از بین می رود و تنها حجم کوچکی در محفظه احتراق باقی می ماند. ضریب تراکم در واقع نسبت حجم سیلندر در پایین ترین موقعیت پیستون به حجم به جای مانده در بالاترین موقعیت آن است.

پس وقتی می گوییم ضریب تراکم یک پیشرانه 10 به یک است، منظور این نیست که فشار داخل سیلندر دقیقاً ده برابر می گردد، بلکه یعنی این حجم قبل از متراکم شدن تقریباً 10 برابر حجمی است که در سرانجام مرحله تراکم، آنجا باقی می ماند. این فرمول ساده، یکی از مهم ترین مفاهیم مهندسی احتراق در پیشرانه های درون سوز را شرح می دهد.

ضریب تراکم به زبان ماشین بازی

برای اینکه موضوع کاملاً ملموس گردد، برایتان مثال می زنیم. یک پیشرانه فرضی با حجم 500 سی سی برای هر سیلندر را در نظر بگیرید که حجم محفظه احتراق آن 50 سی سی باشد. در این حالت وقتی پیستون در پایین ترین نقطه قرار گرفته است، حجم موجود 550 سی سی است و وقتی به بالاترین نقطه می رسد، تنها 50 سی سی باقی می ماند، بنابراین ضریب تراکم این پیشرانه 11 به یک خواهد بود. به زبان ماشین بازی، پیستون در هر سیکل کاری مخلوط هوا و بنزین موجود در یک فضای 550 سی سی را در نهایت به فضایی 50 سی سی فشرده می نماید.

اما اینجا یک سوءتفاهم مهم وجود دارد که حتی گاهی در مطالب تخصصی مربوط به خودرو هم دیده می گردد. ضریب تراکم با فشار تراکم یکی نیست. یعنی اگر یک پیشرانه نسبت تراکم 10 به یک داشته باشد، نمی توان گفت فشار داخل سیلندر دقیقاً 10 برابر شده است. چون رفتار واقعی سوخت به مواردی مثل دما، میزان پرشدن سیلندر، زمان بندی سوپاپ ها، سرعت پیستون، شرایط محیطی، وجود گازهای به جامانده در سیلندر و چندین عامل دیگر وابسته است.

چرا برای مهندسان ضریب تراکم اینقدر مهم است؟

فرض کنید در یک مدل ایده آل از چرخه اتو (همان چرخ 4 مرحله ای که برای شرح احتراق پیشرانه های بنزینی استفاده می گردد)، افزایش ضریب تراکم می تواند راندمان حرارتی چرخه را بالا ببرد. یعنی چی؟ یعنی هرچی سوخت قبل از احتراق بیشتر فشرده گردد، می توان سهم بیشتری از انرژی سوخت را به کار مکانیکی مفید تبدیل کرد و انرژی کمتری را به شکل اتلاف حرارتی از دست داد. اما مشکل از جایی آغاز می گردد که پای احتراق پیش رس یا خوداشتعالی وسط کشیده می گردد.

ناک چیست؟

طبیعی است که هرچی گاز داخل سیلندر بیشتر فشرده گردد، دما و فشارش هم افزایش پیدا می نماید و در شرایط خاص، بخشی از مخلوط هوا و سوخت ممکن است قبل از رسیدن انفجار اصلی به شرایط خوداشتعالی برسد. نتیجه این اتفاق همان پدیده ای است که ماشین بازها بیشتر با نام ناک می شناسند. ناک شاید بیشتر شبیه یک صدای تق تق ساده باشد. ولی گاهی یک اشتعال و انفجار غیرطبیعی می تواند فشارهای بسیار شدیدی درون محفظه احتراق ایجاد کند و در شرایط شدید، به پیستون، رینگ، یاتاقان، واشر سرسیلندر و حتی سوپاپ ها آسیب بزند. اینجاست که ضریب تراکم از یک عدد ساده در جدول مشخصات فنی به یک مسئله جدی مهندسی تبدیل می گردد.

مهندس باید بین راندمان بالاتر و مقاومت در برابر ناک، تعادل برقرار کند. سوخت با عدد اکتان بالاتر مقاومت بیشتری در برابر خوداشتعالی دارد و می تواند دست مهندس را برای استفاده از تراکم بالاتر یا زمان بندی تهاجمی تر جرقه بازتر کند. از سوی دیگر، توربوشارژر نیز با افزایش جرم هوای ورودی و در نتیجه افزایش فشار و دمای مؤثر محفظه احتراق، حساسیت پیشرانه به ناک را بیشتر می نماید. تراکم بالاتر، توربوشارژ و کوچک سازی حجم پیشرانه، همگی از عواملی هستند که شرایط احتراق را به سمت حساسیت بیشتر به ناک می برند.

ضریب تراکم بالا خوب است ولی نه همواره

گفتیم که ضریب تراکم بالاتر می تواند به افزایش فشار مؤثر احتراق و استفاده بهتر از انرژی سوخت یاری کند. افزایش این ضریب قرار نیست به شکل جادویی یک پیشرانه را به هیولای قدرت تبدیل کند. آنچه بیشتر بهبود پیدا می نماید، کیفیت تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی مکانیکی است و میزان توان نهایی همچنان به دِبی هوای ورودی، میزان سوخت، دور پیشرانه، طراحی سرسیلندر، سامانه تنفس و محدودیت های حرارتی و مکانیکی وابسته خواهد بود.

پس چرا همه پیشرانه ها ضریب تراکم خیلی بالا ندارند؟ چون مهندسی همواره با مصالحه همراه است. اگر یک پیشرانه بنزینی را برای تراکم بسیار بالا طراحی کنید، حساسیت آن به کیفیت سوخت و ناک افزایش پیدا می نماید. وقتی خودرو در کشوری با سوخت اکتان پایین تر از احتیاج واقعی پیشرانه کار می نماید، واحد کنترل پیشرانه می تواند با تغییر زمان جرقه، کاهش بار یا در بعضی شرایط غنی تر کردن مخلوط، احتمال ناک را کنترل کند، اما این مداخلات معمولاً بدون هزینه نیستند و می توانند عملکرد را تحت تأثیر قرار دهند .

این مسئله برای بازارهایی مثل ایران اهمیت بیشتری پیدا می نماید، چون مشخصات روی کاغذ یک پیشرانه همواره با شرایط واقعی استفاده از آن یکی نیست. ممکن است یک پیشرانه از نظر طراحی برای سوخت با اکتان بالاتر بهینه شده باشد، اما وقتی همان خودرو در شرایط سوخت متفاوت، دمای محیط بالا، ارتفاع زیاد یا با بار سنگین استفاده می گردد، مدیریت احتراق اهمیت بسیار بیشتری پیدا می نماید. بنابراین عدد ضریب تراکم را باید همواره در کنار استراتژی کنترل ناک آن پیشرانه خواند.

بلایی که پیشرانه های توربو سر این معادله می آورند

اینجا یکی از مجذوب کننده ترین بخش های بحث شکل می گیرد. در یک پیشرانه تنفس طبیعی، مهندس عمدتاً با فشار اتمسفر، دمای هوای ورودی و توانایی هندسی پیشرانه برای تنفس سروکار دارد. اما وقتی توربوشارژر وارد داستان می گردد، هوای بیشتری با فشار بالاتر وارد سیلندر می گردد. بنابراین حتی اگر عدد ضریب تراکم خیلی بالا نباشد، فشار و دمای واقعی گاز پیش از احتراق می تواند خیلی بالا برود .

به همین علت است که یک پیشرانه توربو با تراکم 9 یا 10 به یک را نمی توان مستقیماً با یک پیشرانه تنفس طبیعی 13 یا 14 به یک مقایسه کرد و نتیجه گرفت پیشرانه دوم حتماً فشار بیشتری در محفظه احتراق دارد. از طرفی دیگر ، فشار خالص داخل سیلندر هم فقط به نسبت تراکم ربط ندارد و میزان هوای ورودی، فشار مانیفولد، دمای شارژ بوستر و زمان بندی سوپاپ ها هم در آن نقش دارند.

آیا ضریب تراکم بالا برای پیشرانه خطرناک است؟

ضریب تراکم بالا به خودی خود مساوی با عمر کمتر نیست، اما افزایش فشار و دمای داخل سیلندر می تواند نیروی بیشتری روی اجزای پیشرانه تحمیل کند. پس طراحی اجزای مکانیکی، سیستم خنک کاری، روغن کاری و کنترل احتراق هم باید متناسب با آن باشد. اگر پیشرانه از ابتدا برای نسبت تراکم مشخصی طراحی شده باشد، استفاده از آن در محدوده طراحی شده معمولاً آسیبی ایجاد نمی نماید. مشکل زمانی آغاز می گردد که احتراق غیرطبیعی، دمای بیش از حد، سوخت نامناسب یا تغییرات غیراصولی در سیستم مدیریت پیشرانه، شرایطی فراتر از طراحی مهندس ایجاد کند .

این شرح به این خاطر بود که که حرفه ای ها خودشان می دانند که تیونینگ پیشرانه فقط افزایش بوست و دستکاری جدول جرقه نیست. وقتی تراکم هندسی، فشار بوست، اکتان سوخت، دمای هوای ورودی، دمای محفظه احتراق و زمان بندی احتراق را همزمان تغییر می دهید، در واقع دارید تمام تعادل طراحی اولیه پیشرانه را جابه جا می کنید. بنابراین یک پیشرانه استاندارد و یک پیشرانه تیون شده را نمی توان تنها با نگاه کردن به عدد ضریب تراکم قضاوت کرد .

بالاخره ضریب تراکم بالا خوب است یا بد؟

راستش برترین پاسخ این است که بستگی دارد. اگر یک پیشرانه تنفس طبیعی با طراحی مناسب، سوخت متناسب، خنک کاری مطلوب و مدیریت احتراق دقیق داشته باشید، افزایش ضریب تراکم می تواند راهی بسیار مؤثر برای افزایش راندمان و کاهش مصرف سوخت باشد. اما اگر همین عدد بالا را بدون توجه به تمام المان های مهندسی که قبلاً درباره شان صحبت کردیم پیاده کنید، می تواند حساسیت به احتراق غیرطبیعی را افزایش دهد و دست مهندس را در رسیدن به توان بالا محدود کند .

پس، وقتی دفعه بعد مشخصات فنی یک خودرو را می خوانید و به اعدادی مثل 10.5، 11.5، 12.5 یا 14 به یک می رسید، بهتر است سریع نگویید این یکی چون ضریب بالاتری دارد، پس حتماً بهتر است.