علاقة الحصان بقوة المحرك

ما علاقة الحصان بقوة المحرك ؟؟؟؟؟

ان أغلب المهتمين بعالم السيارات , إذا لم يكن جميعهم يركز في بداية حديثه عن أي سيارة , على قوة محركها بالحصان وأغلب إعلانات السيارات دائماً تذكر قوة المحرك بالحصان ولكن ، لماذا تقاس قوة محرك السيارة بالحصان وما علاقة الحصان بقوة محرك السيارة ؟
كلمة HorsePower أو القوة بالحصان ارتبطت باسم المهندس الانجليزي جيمس وات James Watt ( 1736 - 1819 )ويعرف وات بأنه مطور المحرك البخاري كما أن إسمه Watts هي ايضا وحدة قياس استهلاك التيار الكهربائي !!
القصة بدأت عندما كان يستخدم المهندس جيمس وات الخيول لرفع الفحم من مناجم الفحم الحجري وكان دائماً يبحث عن طريقة لوصف القوة الناتجة عن هذه الخيول
وجد جيمس وات أن معدل ما يستطيع رفعه الحصان العادي هو (10 كيلوغرام) لمسافة 1000 قدم كل دقيقة ، ثم قام بزيادة هذا الرقم بنسبة 50% وقام بتثبيت نتيجة قوة الحصان عند ( 15 كيلوغرام ) لمسافة 1000 قدم في الدقيقة . فلك أن تتخيل أن هذه الطريقة الإعتباطية في قياس قوة الحصان أصبحت الطريقة المعتمدة لقياس قوة العديد من الأجهزة على مر العصور وإلى الآن .... !!
تعريف جيمس وات للقدرة الحصانية هو :
قدرة الحصان على رفع (15 كيلوغرام) لمسافة 1000 قدم في الدقيقة الواحدة ، أو رفع كمية 330 من الفحم لمسافة 100 قدم في الدقيقة ، أو 1000 باوند لمسافة 33 قدم في الدقيقة.
بإختصار ، بإمكانك إستخدام أي مجموعة من الأرقام بشرط أن يكون الناتج هو ( كيلو غرام/ قدم في الدقيقة) ويعرف الناتج بـ "قوة الحصان" أو Horse Power .
هنا وباستخدام قوانين الكتلة تستطيع وبسهولة تحويل جزء من الوزن إلى المسافة باستخدام الكتلة المناسبة.
وقد تم تحويل قوة الحصان إلى عدة وحدات أخرى مثل : - حصان واحد يساوي 746 وات ( أي إذا كان لديك مولد طاقة يولد 746 وات ، معنى هذا أن قوته حصان واحد).
طريقة قياس قوة المحرك بالحصان :
قوة المحرك تقاس عن طريق جهاز يسمى Dynamometer(الدينوميتر) ، وطريقة عمل الدينوميتر R هي وضع حمل معين على المحرك وقياس قوة المحرك ضد هذا الحمل .
طريقة عمل الدينمومتر هي وضع حمل على المحرك وقياس الحمل الذي يستطيع المحرك العمل عنده على سرعات مختلفة . في البداية يتم وضع حمل معين ثم تثبيت دوران محرك السيارة على رقم معين ولنفرض 6000 دورة في الدقيقة .
قم بزيادة الحمل على المحرك حتى يقل دوران المحرك إلى 5500 دروة في الدقيقة ثم سجل الفرق في الحمل بين الحالتين . قم بزيادة الحمل أكثر حتى ينزل دوران المحرك إلى 5000 دورة ثم سجل الفرق في الحمل وهكذا حتى تصل إلى 1000 دورة في الدقيقة.
إن علاقة العزم بالقوة الحصانية هي علاقة متلازمه لكنها محكومة بدوران المحرك الذي يحدد مقدار زيادة أحدهما ونقصان الآخر.

فالعزم الذي هو القوة المباشرة التي نحصل عليها من لفة الكرانك، هذه القوة تعتبر قوة خام لانستطيع الإستفادة منها مباشرة، وهي تعتمد على عدة عوامل، منها حجم المحرك وأوزان الكرانك والمكابس، حيث أن الوزن في أي كتلة عبارة عن طاقة كامنة، ويعتمد أيضاً على نوع المحرك أي أن المحرك الذي يتنفس بشكل طبيعي يختلف عزم دورانه عن المحرك المعزز بتوربو أو سوبرتشارجر بالإضافة لعوامل أخرى كثيرة.أما القوة الحصانية فهي ناتجة عن علاقة بين عزم الدوران وسرعة دوران المحرك وثابت، ويستند مهندسي المحركات على معادلة بسيطة لمعرفة القوة الحصانية لأي محرك وهي:
القوة الحصانية = [عزم الدوران(رطل/قدم) × عدد دورات المحرك(دورة/دقيقة)] ÷ 5252
حيث أن الـ 5252 عبارة عن معامل او ثابت عن رقم مختزل من عدة تحويلات معقدة كاللوغاريتم....
أي أن محرك عادي حجمه 2000 سم مكعب خالي من أي تعقيدات تزيد في قوته، يبلغ عزمه حوالي 180 رطل/قدم عند 3000 دورة في الدقيقة ينتج قوة 102.8 حصان 180× 3000 ÷ 5252 = 102.8 حصان
مع ملاحظة أن الخرج الأقصى لعزم المحرك يأتي عند مستوى دوران مختلف عن الخرج الأقصى للقوة الحصانية لنفس المحرك.
السؤال المهم الذي يدور في بال الجميع هو ( أيهما أهم العزم أم القوة الحصانية؟ ) خصوصاً إذا علمنا أن هناك محركات تتمتع بعزم عالي بينما قوتها الحصانية متدنية ( كمحركات الديزل ، بينما هناك محركات على العكس. فأي السيارات أفضل تلك السيارات التي تتميز محركاتها بعزم عالي أم تلك التي بقوة حصانية عالية؟
الجواب معقد بعض الشيء، وهو أن حاجتك للسيارة هي ما يحدد.
فلو كنت من محبي السرعة مثلاً فإنك تحتاج للإثنين معاً، فالعزم مهم جداً للتسارع خصوصاً في بداية الحركة وفي أثناء التجاوز، أما السرعة فتلعب القوة الحصانية الدور الأكبر، ولكن ما يحدد سرعة الوصول إلى السرعات العالية هو العزم مجدداً. لأنك احياناً تجد سيارات تصل سرعاتها إلى سرعات عالية، لكنها تستغرق وقتاً طويلاً، بينما سيارات أخرى تصل الى نفس السرعات في وقت أقصر بكثير وذلك بسبب العزم، طبعاً دون الدخول في تعقيدات نسب تروس الجير والديفرنس.
أما إذا كنت من مرتادي البر فأنت محتاجاً إلى العزم بدرجة أولى، فتصوروا معي الهمر H1 مثلاً بنسختها الأولى وهي عبارة عن سيارة يصل وزنها إلى 3 أطنان وقد تتعداها، أما محركها الأساسي المأخوذ من جنرال موتورز سعة 6500 سم مكعب وهو من فئة الديزل دون توربو، قوته الحصانية هي 150 حصان فقط. قد يبدو هذا لا يصدق فالهمر هي في الإستخدامات العسكرية، وهي التي لا يعوقها شيء.
والسبب في ذلك هو تمتع محركها بعزم هائل يصل إلى حوالي الـ 550 رطل/قدم وذلك عند دورات قليلة لاتتعدى الـ 1600 دورة/دقيقة. أما أحسن مثال لسيارة ذات قوة حصانية عالية مع عزم دوران منخفض فهي المازدا RX 8 فمحركها الرحوي Rotary المكون من مكبسين اثنين فقط بسعة إجمالية تبلغ 1300 سم مكعب فقط، ينتج قوة حصانية عالية نسبياً تصل الى 250 حصان دون إضافة توربو او سوبر جارجر ودون إدخال تقنية تعدد الصمامات حيث أن المحركات الرحوية لاتحتوي على صمامات اساساً .
ولكن عزم هذا المحرك لا يتعدى الـ 220 رطل/قدم والسبب في ذلك كما أشرنا في البداية يرجع الى صغر المحرك وخفة وزنه.
ولكن ضعف العزم هذا لم يؤثر على أداء السيارة لأن وزنها لايتعدى الـ1350 كلجم وهو وزن يستطيع هذا المستوى من العزم التعامل معه وبالتالي تستطيع السيارة الوصول الى سرعة 250 كلم/س وتتسارع الى100 كلم/س في وقت لا يتعدى الـ6 ثواني فقط تذكروا أن كل هذا الأداء يأتي من محرك رحوي سعته 1300 سم مكعب .
الخلاصة :
لا يوجد حتى الان مقياس معين او جهاز يقيس القدرة الحصانية للمحركات ، والـدينمومتر لا يقيس إلا العزم على مختلف سرعات المحرك .
إذن كيف تحسب القدرة الحصانية؟
بما أن القدرة الحصانية هي قيمة مشتقة من العزم والسرعة دوران المحرك فإذن العملية ليست إلا عملية حسابية بسيطة.
خذ هذا المثال البسيط لتوضيح الصورة :
افترض أنه لا يوجد شيء أسمه عداد السرعة في السيارات ، ونريد أن نحسب سرعة السيارة عندما ندوس بمقدار معين على دواسة البنزين ، فأسهل طريقة هي أنك تحسب الوقت اللازم لقطع مسافة معينة ، وهنا نستطيع حساب السرعة.
ستلاحظ أن السرعة (في هذه التجربة) يستحيل حسابها إذا عرفنا المسافة المقطوعة فقط دون معرفة الزمن والعكس أيضاً صحيح.
ما هي المعادلة المستخدمة في حساب القدرة الحصانية؟
القدرة الحصانية = ( العزم × سرعة دوران المحرك) ÷ 5252
مع ملاحظة: أن وحدة قياس العزم هي (رطل على القدم المربع ) وسرعة دوران المحرك هي (دورة لكل دقيقة).
ولتطبيق هذه المعادلة هذا مثال بسيط لمحرك:
لو العزم عند 1500 RPM هو 150 رطل*قدم فإن القوة الحصانية هي = (150*1500)/5252 = 42.8 حصان.
لو العزم عند 2000 RPM هو 153 رطل*قدم فإن القوة الحصانية هي = 60.9 حصان.
لو العزم عند 2500 RPM هو 155 رطل*قدم فإن القوة الحصانية هي =73.7 حصان.
لو العزم عند 3000 RPM هو 157 رطل*قدم فإن القوة الحصانية هي = 89.6 حصان.
لو العزم عند 3500 RPM هو 161 رطل*قدم فإن القوة الحصانية هي = 107.3 حصان.
وهكذا حتى تصل لأقصى سرعة للمحرك.
و بما أن مستوى العزم يختلف مع تغير سرعة دوران المحرك ، فأيهما أفضل ، محرك يكون أقصوى مستوى للعزم عند سرعات دوران عالية أو عند سرعة دوران منخفضة؟
الجواب هو : لا هذا ولا ذاك!
المحرك المثالي (والأفضل) هو الذي ينتج عزم دوران (متساوي) من البداية إلى اقصى دوران لكن بطبيعة الحال لا يوجد شيء مثالي من صنع الأنسان ، لذلك جميع الصانعين يحاولون تحسين منحنى العزم بقدر المستطاع للوصول لنتيجة أقرب إلى المنحنى المثالي للعزم.
لذلك ما نقرأه في كتالوجات الصانعين هو أقصى رقم للعزم ، وهذه المعلومة بحد ذاتها لا تعطي الصورة الكاملة عن أداء المحرك.
فلو قولنا أن محرك ما يستخرج أقصى عزم عند 2500 RPM ، فهذا معناه أن مستوى العزم عند أي سرعة أعلى من 2500 RPM هي بالتأكيد أقل من هذا الرقم . ومثلافالجراند شيروكى 4.7 لتر وعدد الأحصنه 235 فى حين ان الفورد اكسبلورر 4.6لتر وعدد الأحصنه 292 والتويوتا فورتشنر 4.7 لتر 260 حصان علما بان الكل 8 سلندرونفس الكلام ينطبق على أي محرك أخر يكون أقصى مستوى للعزم عند سرعة عالية (مثلا 6500 RPM).
بعد إيضاح العلاقة المباشرة بين العزم و القدرة الحصانية ، كيف نستخدم المعلومات البسيطة هذه في الحكم على محرك معين وعن ادائه ؟
بما أن المعادلة المستخدمة في حساب القدرة الحصانية مكونة من متغيرين أثنين (العزم و السرعة دوران المحرك) وبما أن العلاقة بينهم علاقة طردية (أي كلما إزدادت قيمة أحد هذين المتغيرين أو كلاهما فأن القدرة الحصانية ستزيد) ، بأمكاننا تفسر الكثير من الظواهر .
فمثلاً:
محرك الفيراري سعته 3.6 لتر وبقوة 400 حصان ، محرك البورشه 911 توربو بنفس السعة وبقوة 420 حصان ، على الرغم من أن مستوى العزم في البورشه أكبر بكثير من مستوى العزم في الفيراري المودينا بسبب التوربو وأيضاً على سرعة دوران منخفضة ، لكن المفاجئة أن القدرة الحصانية للمحركين متقارب لحد كبير (وكذلك الأداء)؟
السبب : هو طريقة وأسلوب استخراج القدرة الحصانية من المحركين ، المودينا(الفيراري) تولد القوة هذه (400 حصان) على 8500 RPM فلو أردنا حساب العزم المستخرج عند هذه السرعة فالنتيجة هي (5252 ×400) /8500 = 247 رطل*قدم وعند مقارنته مع المستوى الأقصى للعزم 275 رطل*قدم عند 4900 RPM فأن الفرق هو 10% ، أي أن مستوى العزم من 4900 RPM لغاية 8500 RPM كان التغير في حدود 10%.
لنطبق نفس الكلام على البورش ، القوة الحصانية هي 420 عند 6000 RPM ، أي أن العزم عند هذا المستوى (367 رطل*قدم) وإذا عرفنا العزم الأقصى هو 413 رطل*قدم عند سرعة 2700 - 4600 RPM فأن الفرق هو 11% ، تخيل أن محرك البروش مجهز للدوران لسرعة 8500 RPM وأن التيربو تم تغييره وأصبح المحرك ينتج 367 رطل*قدم عند هذه السرعة ، توقع كم تكون القوة الحصانية القصوى؟ 594 حصان!
نفس الكلام يفسر قدرة محركات الـ DOHCو VTEC و الـGT3 و الـM3 والـM5 والـSR20VE وغيرهم الوصول إلى معدل 100 حصان لكل لتر بدون توربو أو أي شواحن. لكن لا ننسى الهندسة الداخلية لهذه المحركات والأنظمة المضاف إليها لكي تصل إلى هذه النتيجة مثل أنظمة الصمامات المتعدده والتيربو وحقن الوقود و تغيير توقيت الصمامات والمكونات الداخلية المقواة والموزونة ونسبة الأنضغاط المرتفعة وغيرها.....