كيف تهدر السيارات ثلثي وقودها.. يمكن توفير 15% من الوقود في تحسين الاحتكاك
الطاقة الفعلية المستخدمة لتحريك السيارة 30% من إجمالي الطاقة التي يوفرها الوقود
كتب مصطفى شعبان
مع عدم ظهور أي علامات تدل على تراجع أسعار البنزين أو الغاز، يبدو أن الوقت مناسب لنسأل أنفسنا: هل سياراتنا ليست فعالة بما فيه الكفاية؟
قررت أوروبا حظر إنتاج السيارات الجديدة التي تعمل بمحركات الاحتراق بحلول عام 2035، لكن معظم سيارات الركاب الموجودة حاليًا على الطرق في فرنسا وفي جميع أنحاء العالم لا تزال تندرج تحت هذه الفئة.
تعمل محركاتها عن طريق حرق البنزين أو وقود الديزل وتحويل الطاقة الحرارية الناتجة إلى طاقة ميكانيكية تستخدم لدفع السيارة.
يتم تحويل 50٪ من الطاقة المزودة على الأكثر إلى طاقة ميكانيكية، لكن الباقي يتبدد كحرارة، علاوة على ذلك، لا يتم تسليم كل الطاقة الميكانيكية للعجلات، حيث يتم فقد 30٪ تقريبًا بسبب الاحتكاك.
في النهاية، تبلغ الطاقة الفعلية المستخدمة لتحريك السيارة ما يقرب من 30٪ من إجمالي الطاقة التي يوفرها الوقود، إذن، أين تحدث كل هذه النفايات، هل نحن قادرون على تقليلها وإلى أي مدى يمكن أن نتوقع بشكل معقول توفير في استهلاك الوقود؟
كيف يعمل محرك الاحتراق
في محرك الاحتراق، يتم حرق مزيج من الوقود والهواء داخل الجزء الذي يسمى غرفة الاحتراق، هذا يزيد من حجم الغاز في الحجرة والضغط الناتج يدفع مكون المكبس إلى أسفل.
يتم توصيل المكبس بالعمود المرفقي بقضيب توصيل، والذي يحول الحركة العمودية للمكبس إلى حركة دورانية، بعد ذلك، يتم نقل هذا الدوران بواسطة العمود المرفقي إلى ناقل الحركة الميكانيكي (بما في ذلك علبة التروس) ثم إلى العجلات.
يتم بعد ذلك فتح وإغلاق عدد من صمامات المحرك، مما يؤدي إلى خروج الغازات العادمة ومن ثم دخول جرعة جديدة من الهواء والوقود، ويتم تحويل جزء محدود (40 إلى 50٪) من الطاقة الحرارية الناتجة عن الاحتراق إلى طاقة ميكانيكية.
يُهدر الباقي ويتم تفريغه من خلال الغازات الساخنة من أنبوب العادم ومن خلال المبرد، مما يحافظ على برودة المحرك، ومع ذلك، من خلال تحسين الاحتراق وتركيب أنظمة استعادة الطاقة، قد نتمكن من زيادة كمية الطاقة المحولة بشكل مفيد وتقليل استهلاك الوقود بنسبة 30٪ تقريبًا.
ضياع الوقود بسبب الاحتكاك
ما هو المقصود بـ “الاحتكاك”؟ يشير المصطلح إلى القوة التي تعمل في مقاومة الحركة المنزلقة بين جسمين عندما يتلامسان مع بعضهما البعض، على سبيل المثال، الاحتكاك بين أحذيتنا والأرض يسمح لنا بالمشي دون انزلاق، في حالات الاحتكاك المنخفض، مثل عندما تكون الأرض جليدية، يكون من الأسهل أن تنزلق أحذيتنا على الأرض ويصبح المشي أكثر صعوبة، ومع ذلك، قد نختار ارتداء أحذية التزلج، والتي تستخدم الاحتكاك المنخفض مع الأرض لتمكيننا من التحرك عن طريق الانزلاق.
بشكل أساسي، عندما ينزلق جسمان (أو يفركان) معًا، تحدث قوة المقاومة الناتجة بسبب الاحتكاك، يؤدي هذا إلى فقدان الطاقة من خلال الحرارة، وهو ما يمكننا ملاحظته عن طريق فرك أيدينا معًا، على سبيل المثال، في السيارة، تحدث الظاهرة نفسها بين أجزاء المحرك المتحركة وناقل الحركة الميكانيكي، يحاول الباحثين، تقييم تأثير هذه الظاهرة.
تقدير فقد الطاقة بسبب الاحتكاك
“علم الترايبولوجي” هو فرع من فروع العلم يهتم بالاتصال والاحتكاك وكيفية التخفيف من آثارها، ساعدت الأبحاث الحديثة في هذا المجال في تقدير فقد الطاقة بسبب الاحتكاك الذي يحدث في محرك احتراق السيارة وفي ناقل الحركة المرتبط بعجلاتها.
في الرسم البياني، تظهر مناطق التلامس، حيث تحدث خسائر بسبب الاحتكاك باللون الأصفر.
تحدث أهم خسائر الطاقة حول المكبس (عند حوالي 45٪ من الخسائر)؛ متبوعًا بالروابط بين قضيب التوصيل والعمود المرفقي وكتلة الأسطوانة (حوالي 30٪) ؛ وحول الصمامات ونظام تشغيلها (حوالي 10٪)، يتم فقد نسبة 10٪ المتبقية من خلال تركيبات المحرك الأخرى.
يتم تقييد الطاقة الميكانيكية المفيدة من المحرك بشكل أكبر من خلال الخسائر في ناقل الحركة الميكانيكي ، والناجمة بشكل خاص عن الاحتكاك بين التروس.
في النهاية ، تؤدي كل هذه الخسائر إلى إهدار حوالي 30٪ من الطاقة الميكانيكية التي يوفرها محرك الاحتراق في ظل ظروف تشغيل السيارة المتوسطة.
هل يمكننا تقليل استهلاك الوقود عن طريق الحد من خسائر الطاقة الناتجة عن الاحتكاك؟
نظرًا لاستخدام حوالي 30٪ من وقود السيارة للتغلب على الاحتكاك بين أجزائها الميكانيكية المتحركة، فإن تقليل هذه الخسائر يمكن أن يؤدي إلى توفير كبير في الوقود، على هذا النحو، يجب أن ننظر إلى العناصر المعرضة للاحتكاك لمناقشة التحسينات المحتملة، تم بالفعل تزييت مكونات المحرك وناقل الحركة باستخدام الزيت، الذي يتم إدخاله بين الأسطح لمنع الاحتكاك والتآكل.
بهدف تقليل فقد الطاقة بشكل أكبر من الاحتكاك، تغطي أبحاث الترايبولوجي مجالين رئيسيين، الأول يتعلق بتحسين مواد التشحيم، ويهدف هذا البحث إلى إدارة كيفية تأثر خصائص معينة لزيوت التشحيم، مثل اللزوجة، بالحرارة.
بشكل عام، يميل الاحتكاك إلى الانخفاض عند استخدام مادة تشحيم أقل لزوجة، لكن غشاء الزيت الخاص بها قد يكون رقيقًا جدًا، مما يؤدي إلى مزيد من التلامس بين مناطق السطح غير المستوية والتآكل الأسرع.
لمكافحة هذا، يهدف أحد فروع البحث إلى تطوير إضافات جديدة لزيوت التشحيم التي يمكن أن تغطي الأسطح في طبقات واقية منخفضة الاحتكاك.
يتضمن مجال البحث الثاني، تحسين الأسطح نفسها عن طريق إنشاء طلاءات جديدة (خاصة قائمة على الكربون)، والتي تحمي الأسطح التي تتلامس مع بعضها البعض وتؤدي إلى تقليل الاحتكاك، بدلاً من ذلك، يمكن أن تكون الأسطح مزخرفة بشبكة من الثقوب، والتي لها أبعاد مثالية لتزييت أكثر فعالية.
تم مؤخرًا إجراء مشروع بحثي في معهد Pprime في بواتييه بقيادة CNRS ، وجامعة بواتييه وISAE Ensma ، والذي أظهر أن الاحتكاك لبعض أنواع التلامس يمكن تقليله بنسبة 50% من خلال استخدام نسيج السطح.
علاوة على ذلك، في حالة المركبات التي تعمل بمحركات الاحتراق، فقد أكدت العديد من الدراسات بالفعل أن هذه التقنية الجديدة يمكن أن تقلل من فقد الطاقة، بسبب الاحتكاك بنسبة 50 إلى 60٪ على المدى المتوسط، مما يقلل استهلاك الوقود بنحو 15٪.
عند دمجها مع محركات محسّنة ومركبات أصغر وأخف وزنًا – وفي النهاية إطارات أضيق- يمكن أن تصل هذه الكمية الصغيرة على ما يبدو من الوقود الموفر إلى أرقام تصل إلى حوالي 50%.
ومع ذلك، يخبرنا التوسع في قطاع سيارات الدفع الرباعي في سوق السيارات أن هذا الطريق لتوفير الوقود لم يتم اعتماده للأسف من قبل مصنعي السيارات في السنوات الأخيرة.
إذن، ما هي حلولنا الفورية لخفض التكاليف؟
باستثناء شراء السيارات الجديدة، يمكن أن يؤدي استخدام مواد التشحيم الأكثر كفاءة إلى تقليل الاستهلاك بنسبة قليلة في المائة، وهو مبلغ ضئيل في مواجهة ارتفاع أسعار الوقود، علاوة على ذلك، قد يكون من الصعب على الأفراد معرفة أي مادة مزلقة للاختيار من بينها، حيث إن الدراسات المقارنة متاحة حاليًا فقط في الأدبيات العلمية وبالتالي تقتصر على القراء المتخصصين.
السيارات المشتركة تخفض الاستهلاك مرتين
لكن يجب ألا ننسى أن السيارات تصنع لنقل العديد من الركاب، عندما يتم تقسيم استهلاك الوقود على عدة ركاب، فإن استخدام السيارات المشتركة يمكن أن يخفض الاستهلاك بمقدار مرتين، أو ثلاثة، أو أربعة أضعاف أكثر من ذلك، ولكن عندما يتعلق الأمر بتخفيض فواتير الوقود، فإن القيادة الأقل تظل هي الحل الأكثر كفاءة والأكثر مباشرة.
أما بالنسبة للمدى الطويل، فهل يمكن للسيارة الكهربائية – التي تم الإشادة بها الآن على نطاق واسع – أن تكون حلاً أكثر فاعلية في تقليل فقد الطاقة بسبب الاحتكاك؟
مع وجود عدد أقل بكثير من المكونات الميكانيكية المعرضة للاحتكاك، تم تقييم فقد الطاقة في السيارات الكهربائية بأقل من 5٪، ولكن قبل أن يتم الترحيب به كحل معجزة، يجب أن نأخذ في الاعتبار جميع الصواميل والمسامير الأخرى، بما في ذلك وزن السيارة وتكلفة البطارية واستخراج مواد التصنيع وإعادة تدويرها.
