صغير لكنه قوي: الكشف عن محرك وانكل دوار مطبوع ثلاثي الأبعاد 40ACS

في حين أن المحركات الكهربائية تكتسب شعبية كبيرة وتزداد في الاعتماد، ومن المتوقع أن ينمو حجم سوقها بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 7.61٪ ليصل إلى 246.59 مليار دولار بحلول عام 2032، فإن الكثير من الابتكار يحدث أيضًا في محركات الاحتراق الداخلي (ICE).

محرك الاحتراق الداخلي هو محرك حراري يحرق الوقود ويحول طاقته الكيميائية إلى عمل. إن تكيفه الملحوظ عبر تطبيقات متعددة، مثل صناعات السيارات والبحرية والفضاء وتوليد الطاقة، يدفع حجم سوقه، والذي من المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 4.7٪ ليصل إلى أكثر من 485 مليار دولار بحلول عام 2032.

إن قابلية القيادة المتميزة والمتانة لمحركات الاحتراق الداخلي هي ما جعلتها شائعة عالميًا طوال هذه العقود. ولا ننسى أنها يمكن أن تعمل بأنواع مختلفة من الوقود، مثل البنزين والديزل والوقود المتجدد.

نظرًا للكفاءة والمرونة والفعالية من حيث التكلفة والكثافة العالية للطاقة في هذه المحركات، تستمر تقنية محركات الاحتراق الداخلي في جذب الانتباه وخوض الابتكار.

مؤخرًا، أعلنت شركة الهندسة المبتكرة المتقدمة (AIE) عن محركها الدوار وانكل 40ACS الجديد، الذي يجمع بين الحجم الصغير وإنتاجية طاقة ملحوظة. يتميز محرك وانكل الدوار المبرد بالهواء المتقدم بتقنية التبريد الحصرية Compact SPARCS من AIE.

AIE هي شركة هندسية مقرها المملكة المتحدة تقوم بتصميم وتطوير حلول طاقة محركات دوارة مبتكرة منذ أكثر من عقد الآن. تشارك الشركة أيضًا في الاستشارات وتصور واختبار مجموعة من محركات وانكل الدوارة المبتكرة وعالية الكفاءة.

اخترع في الخمسينيات المهندس الألماني فليكس وانكل محرك وانكل الدوار، وهو نوع من محركات الاحتراق الداخلي يستخدم دوارًا ثلاثيًا لتحويل الضغط إلى حركة دورانية.

بالإضافة إلى امتلاكه تصميمًا بسيطًا مع عدد أقل من الأجزاء المتحركة مما يجعله أكثر موثوقية وأسهل صيانة، يتمتع محرك وانكل بنسبة عالية من القوة إلى الوزن، مما يجعله خيارًا جيدًا لتطبيقات بدون طيار طائرات جوية (UAVs).

يمكن العثور على تطبيقات أخرى لهذه المحركات في الطائرات، وأنظمة الطاقة الهجينة للسيارات، والدراجات النارية، وزلاجات الثلج، وزلاجات الماء، وسيارات السباق، ومنشار السلسلة، والمولدات الصغيرة، ووحدات الطاقة المساعدة للفضاء والمركبات البرية.

ومع ذلك، لا يخلو محرك وانكل من عيوبه، التي تظهر على شكل كفاءة منخفضة، وانتقال حرارة عالي بسبب نسبة السطح إلى الحجم العالية، ومشكلات في الختم والتسرب، وانبعاثات ضعيفة نتيجة شكل غرفة الاحتراق.

تشتهر AIE بمحركاتها الدوارة وانكل، وتستمر في الابتكار من خلال منتجات مثل 40S بقوة 5 حصان فرامل (bhp)، و80S بقوة 15 حصان، و225CS بقوة 40 حصان، ومحرك 650S بقوة 120 حصان. يُظهر أحدث منتجاتها، 40ACS، جهود الشركة المستمرة لتطوير تكنولوجيا المحركات باستخدام الأدوات والتقنيات الحديثة.

“يمثل 40ACS مستقبل المحركات المدمجة والفعّالة والمستدامة، مقدماً مرونة لا مثيل لها للتطبيقات الحرجة للمهام،” قال AIE في بيان رسمي، مشيرًا إلى أن محركه سيترك أثرًا كبيرًا في مجالات الروبوتات والفضاء، حيث يُعتبر الجمع بين الأداء والحجم الصغير للـ 40ACS مرغوبًا بشدة.

مواصفات 40ACS: تصميم مدمج مع أداء عالي

يتميز محرك وانكل الدوار المبرد بالهواء المتطور من AIE بأداء عالي وكفاءة مع نسبة قوة إلى وزن لا مثيل لها. من بين الفوائد الرئيسية لـ 40ACS التي سردتها الشركة تشمل الصغر، والقدرة على التحمل الطويلة، ونظام التبريد الثوري، وتكلفة الملكية الإجمالية المنخفضة.

يأتي المحرك الدوار ببعض الخصائص التشغيلية الرائعة، مثل التشغيل السلس والاهتزاز القليل.

يبرز أحدث عرض لـ AIE بفضل تصميمه الفريد والمبسط، الذي يحتوي على مكونات أقل مقارنةً بالمحركات التبادلية التقليدية. كأحد أصغر منتجات الشركة، يبلغ أبعاد 40ACS 16.3 سم ارتفاعًا، 19.5 سم عرضًا، و17.2 سم عمقًا. كما ينتج 2.75 رطل-قدم من عزم الدوران عند 8,000 دورة في الدقيقة.

يتميز محرك 40ACS ذو الدوار الواحد أيضًا بتصميم مدمج بفضل قلة المكونات. وهذا يترجم إلى محرك أصغر وأخف وزنًا لا يتجاوز 2 كغ (4.4 رطل) مع توفير 5 حصان (3.7 كواط)، مقدمًا نسبة قوة إلى وزن استثنائية تبلغ 1.14 حصان/رطل، متجاوزًا معيار 1.0 حصان/رطل. وبالتالي، يحقق 40ACX أقصى طاقة دون شغل مساحة قيمة.

يجعل ذلك منه مناسبًا للأنظمة التي تتطلب طاقة كبيرة ولكن لديها مساحة محدودة، وللمركبات التي تحتاج إلى الوصول إلى سرعات أعلى بسرعة أكبر. كما تسمح نسبة القوة إلى الوزن العالية بتمديد أوقات الطيران، مما يمكّن المركبات من العمل لفترات أطول وتغطية مسافات أكبر.

وجود عدد أقل من الأجزاء المتحركة يعني أيضًا أن المركبة تتعرض لتآكل أقل، مما يضمن صيانة أقل ولكن، والأهم، موثوقية عالية وطويلة الأمد.

فيما يتعلق بنوع الوقود، يمكن لـ 40ACS العمل على أنواع مختلفة من الوقود، بما في ذلك البنزين وAVGAS، وكذلك الوقود الثقيل مثل Jet A-1 وJP5 وJP8، مما يجعل المحرك عالي المرونة ويسمح باستخدامه عبر تطبيقات وبيئات تشغيلية مختلفة مع الحفاظ على الكفاءة.

نظام الإشعال الخاص به هو شمعة واحدة مع إدارة إلكترونية كاملة للمحرك فوق نظام تشحيم زيت محسّن رقمياً، بينما المولد اختياري.

الآن، بالنسبة لنظام تبريد 40ACS، استخدمت AIE تقنيتها الخاصة الحاصلة على براءة اختراع والتي تسمى نظام تبريد الهواء الدوار ذات الضغط الذاتي (SPARCS). يُعد SPARCS تقنية مثبتة، تصفها AIE بأنها “اختراق في تقنية تبريد محركات الدوار”.

إنه جانب أساسي من تصميم محرك الشركة، حيث يستخدم الغازات المتولدة أثناء الاحتراق للتبريد. بهذه الطريقة، يستطيع النظام إلغاء الحاجة إلى دمج مكونات إضافية لنظام التبريد مثل سوائل التبريد والرادياتير، مما يزيل الأجزاء والكتلة في العملية. تُحسّن التقنية المدمجة إدارة الحرارة، مما يحافظ على برودة المحرك وكفاءته حتى في الظروف الصعبة.

“هذا النظام المغلق ذو الضغط الذاتي يستخدم غازات الانفجار الناتجة عن عملية الاحتراق، والتي يتم تدويرها باستمرار عبر دوار المحرك ومبرده المتكامل.”

– يشرح AIE

تسمح تقنية التبريد الحصرية للشركة بتشغيل نظيف دون انبعاث زيت، وبالتالي تقليل الأثر البيئي وكذلك الحاجة إلى الصيانة.

“مع تقنية Compact SPARCS، تحصل على محرك قوي وفعّال يعمل بأقل حرارة، ونظافة، ومصداقية أعلى.”

– AIE

انقر هنا لتعرف كيف يدمج الطباعة ثلاثية الأبعاد في مستقبل التصنيع.

استخدام التصنيع الإضافي لتحقيق الدقة والكفاءة

الابتكار والتصنيع المتقدم هما المفتاح لتمكين AIE من تقديم حلول دفع متطورة لتلبية المتطلبات المتغيرة للصناعات حول العالم.

بالنسبة لمنتجها الأخير، استخدمت الشركة التصنيع الإضافي لإنتاج المكونات الرئيسية لـ 40ACS. وفقًا لـ AIE، سمح لها هذا العملية المتقدمة بتحقيق دقة استثنائية، وتقليل هدر المواد، وتعزيز المتانة.

علاوة على ذلك، توافقت مكونات المحرك المنتجة بهذه الطريقة مع أعلى معايير الأداء والموثوقية، مما سمح للشركة بالحصول على تصميم بسيط، مبسط، وخفيف الوزن.

ومع ذلك، لا يُعد التصنيع الإضافي أحدث إضافة إلى عملية تصنيع AIE؛ بل هو مكوّن أساسي منذ فترة طويلة في منتجات الشركة. تعتمد على هذه الطريقة لإنشاء هياكل محركات مدمجة، معقدة، وعالية الأداء والتي سيكون من الصعب بناؤها باستخدام الأساليب التقليدية.

المعروف أيضًا باسم التصنيع حسب الطلب، أو تقنية التصنيع المباشر، أو النمذجة السريعة، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D)، هو تقنية متقدمة تستخدم بيانات نموذج ثلاثي الأبعاد لتصنيع هياكل ذات هندسة معقدة عن طريق إضافة مواد مثل المعادن أو البوليمرات أو السيراميك طبقة بط layer.

تتوفر هذه التقنية تجاريًا منذ عدة عقود الآن، رغم أنها تطورت بشكل كبير في السنوات الأخيرة. ساهمت التحسينات في الأجهزة، ودمج التقنيات الرقمية المتقدمة مثل تحليلات البيانات، الحوسبة السحابية، تكامل البرمجيات، أدوات الأتمتة، وإنترنت الأشياء، وتوسيع توافق المواد في جعل منصات التصنيع الإضافي أكثر تطورًا وإنتاج منتجات ذات جودة أعلى.

سمح استخدام هذه التقنية الناشئة بإنتاج مكونات ذات هندسة كان يُعتقد سابقًا أنه من المستحيل تصنيعها باستخدام التقنيات التقليدية. إلى جانب وجود قيود تصميمية، فإن التصنيع التقليدي بطيء ومكلف، في حين يتيح التصنيع الإضافي عمليات سريعة، منخفضة التكلفة، ومؤتمتة.

مقارنةً بطرق التصنيع التقليدية، يقدم التصنيع الإضافي فوائد متميزة.

في البداية، يمنح ذلك المصنعين القدرة على إنتاج المزيد من الأجزاء داخليًا، مما يحمي ابتكاراتهم الخاصة. وعلى النقيض من ذلك، يجعل الاعتماد على طرف ثالث الشركة تعتمد على الآخرين في الأدوات والتركيبات المطلوبة للمنتجات النهائية، مما لا يتطلب فقط التخلي عن السيطرة بل يطيل الجدول الزمني ويؤدي إلى تكاليف أعلى.

في الواقع، يُعد التصنيع الإضافي حلًا فعالًا من حيث التكلفة مقارنةً بالتصنيع التقليدي الإزالة. بالإضافة إلى مساعدة المصنعين على توفير رأس المال، توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد مرونة أكبر في العملية وحرية تصميم.

علاوة على ذلك، يمكن للمصنعين توفير الوقت حيث يستغرق تحويل الفكرة إلى جزء مادي فعلي جزءًا صغيرًا من الوقت. مقارنةً بالأشهر التي تستغرقها عمليات التصنيع التقليدية، ينجز التصنيع الإضافي كل ذلك في بضعة أيام، إن لم يكن ساعات، بشرط توفر المادة والطابعات ثلاثية الأبعاد. كما يسرّع الوصول إلى التصنيع الإضافي داخليًا بشكل كبير سرعة الوصول إلى السوق من خلال تمكين النمذجة السريعة.

تعزز هذه التقنية ثقافة الابتكار من خلال تمكين المهندسين من حل المشكلات المثيرة بسرعة وأتمتة المهام الشاقة.

على الرغم من وجود العديد من الفوائد، يواجه التصنيع الإضافي مشاكله الفريدة في شكل تكاليف الإنتاج الضخم. بينما يوفر الطباعة بأحجام منخفضة فوائد تكلفة، يواجه هذا العملية صعوبة في التوسع، مما يجعلها أكثر تكلفة لكل وحدة عند إنتاج كميات كبيرة.

فيما يتعلق بالتكاليف، يجب على المصنعين أيضًا التعامل مع مشكلات تكلفة المواد الإضافية لأن ليس كل مادة يمكن استخدامها في الطباعة ثلاثية الأبعاد. ولا ننسى أن الأجزاء المنتجة قد تعاني من هشاشة أو إجهاد داخلي أو تشوه.

هناك أيضًا قيود على الحجم والسرعة، مما يحد من الإنتاجية وبالتالي يؤثر على تبني التصنيع الإضافي.

مع ذلك، فإن فوائد التصميم السريع، والنمذجة السريعة، والإنتاج حسب الطلب، والفعالية من حيث التكلفة، وتعزيز الإبداع التي تقدمها تقنيات التصنيع الإضافي لا يمكن تجاهلها، ولهذا السبب هي جزء أساسي من محركات وانكل الدوارة لشركة AIE.

ليس AIE الوحيد الذي يستخدم هذه التقنية، رغم ذلك. لدينا Rolls Royce التي تتبنى التصنيع الإضافي في محركات طائراتها، Pratt & Whitney (جزء من RTX Corporation (RTX )) التي تطبع محركات عسكرية بتقنية ثلاثية الأبعاد، وHoneywell (HON ) التي تستخدم قوالب سيراميك مطبوعة ثلاثية الأبعاد لصنع شفرات التوربين. لذلك، تستخدم الشركات في جميع القطاعات التصنيع الإضافي.

يجعل ذلك التصنيع الإضافي سوقًا متعددة المليارات، حيث بلغت قيمته 20.37 مليار دولار في عام 2023، ومن المتوقع أن يشهد نموًا بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 23.3٪ بين عامي 2023 و2030. في عام 2021، تم شحن 2.2 مليون وحدة من الطابعات ثلاثية الأبعاد حول العالم، ومن المتوقع أن يصل إلى 21.5 مليون وحدة بحلول نهاية هذا العقد.

إن الطلب المتزايد على تطبيقات النمذجة الأولية من قطاع الرعاية الصحية، والسيارات، والفضاء والدفاع، إلى جانب البحث والتطوير المكثف في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، هي العوامل الدافعة لهذا النمو.

انقر هنا لتعرف كيف أن الطباعة ثلاثية الأبعاد سوق محتمل بقيمة 500 مليار دولار.

توسّع مرونة 40ACS حالات الاستخدام عبر الصناعات

من خلال الاستفادة من التصنيع الإضافي وتقنيتها الحاصلة على براءة اختراع في التبريد، تمكنت AIE من تقديم محرك وانكل دوار خفيف الوزن وفعّال يضمن تشغيلًا نظيفًا، موثوقية عالية، صيانة منخفضة، وعمرًا ممتدًا.

تتميز أحدث ابتكاراتها، محرك وانكل الدوار 40ACS، بشكل خاص بتصميم فريد ومبسط مع أقل عدد من المكونات، مما يقدم أداءً موثوقًا واستثنائيًا، مما يجعله خيارًا فعّالًا لمجموعة واسعة من التطبيقات.

كما أشارت AIE في إعلانها الرسمي، فإن 40ACS هو محرك متطور مُصمم خصيصًا لدفع الطائرات بدون طيار. الطائرة بدون طيار (UAV)، وتُعرف أيضًا باسم الدرون، هي طائرة لا يوجد فيها طيار أو ركاب بشري وتُتحكم فيها عن بُعد بواسطة طيار بشري. تُستخدم UAVs على نطاق واسع في المجال العسكري وكذلك في مجالات أخرى مثل التصوير الجوي، ومراقبة البيئة، والشرطة، وتفتيش البنية التحتية.

يقدم محرك وانكل الدوار 40ACS، بتصميمه المدمج والمبرد بالهواء، حلاً قويًا يضمن أداءً موثوقًا في التطبيقات الجوية المتطلبة. كونه أخف وزنًا من المحركات التقليدية وتقديمه نسبة قوة إلى وزن أعلى يسمح لأحدث منتجات AIE بتمديد وقت طيران UAV بشكل كبير مع الحفاظ على انخفاض الاهتزاز وكفاءة التشغيل.

مزودًا بتقنية التبريد الخاصة به SPARCS، يدعم 40ACS أيضًا استخدامًا متعدد الوقود، مما يجعله قابلًا للتكيف مع مختلف مهام UAV. يقدم محركه بسعة 40 سم³ قدرة 5 حصان، مما يجعله خيارًا مناسبًا للدرونات التي تتطلب طاقة عالية ثابتة مع صيانة قليلة.

بالإضافة إلى فائدته الكبيرة للطائرات العسكرية RPAS (نظام الطائرات التي تُقَدر عن بُعد)/UAVs بفضل توفيره طاقة موثوقة للعمليات الحرجة، يمكن استخدام المحرك في المسح لتحديد خرائط التضاريس بدقة وفي الزراعة للزراعة الدقيقة ومراقبة المحاصيل.

يمكن أن تكون بنية المنتج المبسطة وكفاءته المحسّنة مساعدة كبيرة في حالات الكوارث والإغاثة للاستجابة السريعة للمساعدات الإنسانية والإغاثة، مع إنتاج لقطات جوية واضحة للأخبار والإعلام ومراقبة المشاريع بفعالية ورسم خرائط المواقع في مجال البناء.

يمكن أن يجد تطبيقًا إضافيًا في المراقبة من خلال رحلات طويلة الأمد للأمن والرصد، بينما يمكن لجمع البيانات الموثوقة في البيئات النائية أن يكون عونًا كبيرًا في البحوث العلمية.

فيما يتعلق بتطبيقات 40ACS، بينما يتركز اهتمام AIE على أنظمة دفع UAV والروبوتات، فإن حجمه النحيف، وتصميمه الكثيف من حيث الطاقة، وتكامله السلس مع الأنظمة المختلفة يجعل الشركة تتوقع استخدام المحرك عبر الصناعات، بما في ذلك السيارات الهجينة ووحدات الطاقة المساعدة. لذا، تُعد محركات السكوترات، ووحدات الطاقة المساعدة الكهربائية، ووحدات الطاقة المحمولة، وموسعات النطاق للسفن والمركبات من بين حالات الاستخدام لهذا المنتج.

لقد قامت Advanced Innovative Engineering بالتأكيد ببناء منتج قوي يمتلك سوقًا واسعًا يمكن استهدافه. ومع ذلك، فهي شركة خاصة. لذا، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات ذات الصلة التي تتقدم في هذا المجال.

فيما يتعلق بتقنية محرك وانكل الدوار، تمتلك شركة General Motors ذات القيمة السوقية 58.47 مليار دولار (GM ) تاريخًا في تجربة هذه التقنية، خصوصًا خلال السبعينات. بينما تحول تركيزها منذ ذلك الحين إلى السيارات الكهربائية، فإنها لا تزال تبتكر في تكنولوجيا محركات الاحتراق الداخلي أيضًا.

في الوقت نفسه، قدمت شركة Mazda اليابانية أول طراز سيارة لها منذ أكثر من عقد لتعمل بمحرك دوار. بعد إيقاف إنتاج RX-8 في عام 2012، أطلقت Mazda في عام 2023 طراز MX-30 R-EV، الذي يضم محرك وانكل دوار إلى جانب بطارية كبيرة تسمح له أيضًا بأن يُستخدم كسيارة كهربائية نقية.

الآن، في عالم التصنيع الإضافي، تتصدر 3D Systems Corporation (DDD ) وStratasys Ltd. (SSYS ) هذه التقنية.

تستغل شركة Honeywell International Inc.، الرائدة في تقنيات الفضاء، مكونات مطبوعة ثلاثية الأبعاد لمحركات التوربين. كما تطور الشركة أنظمة دفع متقدمة، بما في ذلك محركات خفيفة الوزن وفعّالة. أسهم الشركة ذات القيمة السوقية 147.52 مليار دولار (HON:NASDAQ) تتداول حاليًا عند 226.87 دولار، بارتفاع 8.36٪ هذا العام. لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) قدرها 8.66 ومعدل السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 26.22 مع عائد توزيعات بنسبة 1.99٪.

الخلاصة

يُعد كشف شركة Advanced Innovative Engineering (AIE) عن محركها الدوار 40ACS علامة بارزة في تطور محركات الاحتراق الداخلي، التي تُعرف بإتاحتها العالية، وتكلفتها المنخفضة، ونسبة القوة إلى الوزن العالية، بينما تواجه تحديات تتعلق بالكفاءة المحدودة، والانبعاثات، ومتطلبات الصيانة.

ومع ذلك، من خلال دمج تقنيات التصنيع الإضافي المتطورة وتقنية التبريد الخاصة SPARCS، أنشأت AIE محركًا خفيف الوزن، متعدد الاستخدامات، وفعّالًا يناسب مختلف التطبيقات ذات الطلب العالي.

لذا، مع استمرار تطور صناعات مثل الفضاء، والروبوتات، وأنظمة الطاقة الهجينة، تسمح ابتكارات مثل 40ACS من AIE لتظل تكنولوجيا محركات الاحتراق الداخلي التقليدية ذات صلة في مستقبل تقني متقدم يتحول تركيزه إلى الكهرباء. بفضل قابليته للتكيف وأدائه، يمثل محرك وانكل الدوار 40ACS معيارًا جديدًا للمحركات المدمجة ويدفع التقدم في التطبيقات الحرجة للمهام.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد.