محرك احتراق داخلي
محرك الاحتراق الداخلي هو محرك حراري يحترق بداخله وقود مع مؤكسد (عادة هواء) في غرفة الاحتراق، والتي تُعتبر جزءًا من دائرة سريان الوقود. يؤثر تمدد الغازات ذات الضغط ودرجة الحرارة المرتفعين الناتجة عن الاحتراق في محرك الاحتراق الداخلي، بقوة مباشرة على بعض مكونات المحرك. تُطبق هذه القوة على المكابس وريش التربينة والفوهة الدافعة. تؤدي هذه القوة إلى تحريك الجزء الذي تُؤثر عليه لمسافة معينة نتيجة تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية. هذا النوع من المحركات أصبح بديلا عن محركات الإحتراق الخارجي نظرا لأن وزن أو حجم المحرك أصبح مهما.
صُنع أول محرك احتراق داخلي نجح تجارياً بواسطة إتيان لينوار عام 1859 تقريباً، وصُنع أول محرك احتراق داخلي حديث في عام 1876 بواسطة نيكولاس أوتو (انظر دورة أوتو).
يشير مصطلح محرك الاحتراق الداخلي في العادة إلى أن عملية الاحتراق تتم بشكل متقطع (أي أنها تحدث كل فترة وليست مستمرة بشكل متصل)، ومثال على ذلك المحركات المكبسية الأكثر شيوعاً (رباعية الأشواط وثنائية الشوط)، بالإضافة إلى المحرك سداسي الأشواط ومحرك فانكل الدوار.
يستخدم نوع آخر من محركات الاحتراق الداخلي عملية احتراق متصلة، مثل: التربينات الغازية والمحركات النفاثة ومعظم المحركات الصاروخية، كل منها يندرج تحت تصنيف محركات الاحتراق الداخلي. تعتبر الأسلحة النارية من محركات الاحتراق الداخلي أيضاً.
تختلف محركات الاحتراق الداخلي اختلافاً طفيفاً عن محركات الاحتراق الخارجي مثل المحركات البخارية ومحرك ستيرلينج، التي تحتوي على مائع تشغيل يحصل على الطاقة من مصدر خارجي (مثال: حرق الفحم لتسخين المراجل للحصول على البخار اللازم (للمحرك البخاري) ولا يكون المائع جزءاً من نواتج الاحتراق أو مختلطاً معها. يًسخن مائع التشغيل في مِرجل (غلاية)، ويُمكن أن يكون مائع التشغيل هواء أو مياه ساخنه أو مياه مضغوطه أو حتى الصوديوم السائل. تُشغل غالباً محركات الاحتراق الداخلي بوقود سائل مرتفع الطاقة ومشتق من الوقود الأحفوري. تستخدم معظم محركات الاحتراق الداخلي في التطبيقات المتنقلة بالإضافة للعديد من التطبيقات الثابتة، وًتعتبر مصدر الطاقة الأساسي للمركبات مثل السيارات والطائرات والقوارب.
يعمل محرك الاحتراق الداخلي بالوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي، والمشتقات البترولية مثل البنزين والديزل وزيت الوقود. كما أن هناك استخدام متزايد للوقود المتجدد مثل استخدام الديزل الحيوي في محركات الاشعال بالانضغاط، ووقود الميثانول في محركات الاشعال بالشرارة. يُستخدم الهيدروجين أحياناً كوقود، ويُمكن الحصول عليه من الوقود الحفري أو من الطاقة المتجددة.
العمل
محرك الاحتراق الداخلي هو محرك حراري يحترق بداخله وقود مع مؤكسد (عادة هواء) في غرفة الاحتراق، والتي تُعتبر جزء من دائرة سريان الوقود. يؤثر تمدد الغازات ذات الضغط ودرجة الحرارة المرتفعين الناتجة عن الاحتراق في محرك الاحتراق الداخلي، بقوة مباشرة على بعض مكونات المحرك. تُطبق هذه القوة على المكابس وريش التربينة والفوهة الدافعة.
تؤدي هذه القوة إلى تحريك الجزء الذي تُؤثر عليه لمسافة معينة نتيجة تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية.
صُنع أول محرك احتراق داخلي نجح تجارياً بواسطة إتيان لينوار عام 1859 تقريباً، وصُنع أول محرك احتراق داخلي حديث في عام 1876 بواسطة نيكولاس أوتو (انظر دورة أوتو).
يشير مصطلح محرك الاحتراق الداخلي في العادة إلى أن عملية الاحتراق تتم بشكل متقطع (أي أنها تحدث كل فترة وليست مستمرة بشكل متصل)، ومثال على ذلك المحركات المكبسية الأكثر شيوعاً رباعية الأشواط وثنائية الشوط، بالإضافة إلى المحرك سداسي الأشواط ومحرك فانكل الدوار.
يستخدم نوع آخر من محركات الاحتراق الداخلي عملية احتراق متصلة، مثل: التربينات الغازية والمحركات النفاثة ومعظم المحركات الصاروخية، كل منها يندرج تحت تصنيف محركات الاحتراق الداخلي. تعتبر الأسلحة النارية من محركات الاحتراق الداخلي أيضاً.
تختلف محركات الاحتراق الداخلي اختلافاً طفيفاً عن محركات الاحتراق الخارجي مثل المحركات البخارية ومحرك ستيرلينج، التي تحتوي على مائع تشغيل يحصل على الطاقة من مصدر خارجي (مثال: حرق الفحم لتسخين المراجل للحصول على البخار اللازم للمحرك البخاري) ولا يكون المائع جزءاً من نواتج الاحتراق أو مختلطاً معها. يًسخن مائع التشغيل في مِرجل (غلاية)، ويُمكن أن يكون مائع التشغيل هواء أو مياه ساخنه أو مياه مضغوطه أو حتى الصوديوم السائل. تُشغل غالباً محركات الاحتراق الداخلي بوقود سائل مرتفع الطاقة ومشتق من الوقود الأحفوري. تستخدم معظم محركات الاحتراق الداخلي في التطبيقات المتنقلة بالإضافة للعديد من التطبيقات الثابتة، وًتعتبر مصدر الطاقة الأساسي للمركبات مثل السيارات والطائرات والقوارب.
يعمل محرك الاحتراق الداخلي بالوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي، والمشتقات البترولية مثل البنزين والديزل وزيت الوقود. كما أن هناك استخدام متزايد للوقود المتجدد مثل استخدام الديزل الحيوي في محركات الاشعال بالانضغاط، ووقود الميثانول في محركات الاشعال بالشرارة.
يُستخدم الهيدروجين أحياناً كوقود، ويُمكن الحصول عليه من الوقود الحفري أو من الطاقة المتجددة.
التاريخ
ساهم العديد من العلماء والمهندسين في تطوير محرك الاحتراق الداخلي.
طور جون بارنر تربينه في عام 1791.
نال توماس ميد براءة اختراع محرك غازي في عام 1794.
نال روبرت ستريت براءة اختراع أيضاً لمحرك احتراق داخلي، كان أول محرك يستخدم وقود سائل، كما قام بتصنيع محرك في وقت قريب من ذلك الوقت.
صنع جون ستيفنز أول محرك احتراق داخلي أمريكي في عام 1798.
صنع المهندس السويسري فرنسواس اسحاق دي ريفاز محرك احتراق داخلي يحدث الإشعال فيه بواسطة شمعة احتراق كهربية.
نال صامويل براون براءة اختراع في عام 1823 لأول محرك احتراق داخلي يُستخدم صناعياً.
أنتج البلجيكي جيان جوسيف إتيان لينوار محرك احتراق داخلي غازي في عام 1860.
نال نيكولاس أوتو براءة اختراع في عام 1864 على أول محرك غازي يعمل تحت الضغط الجوي (تعود مكابسه لمواضعها نتيجة تأثير الضغط الجوي بعد تكثف الغاز في الجهة المقابلة).
اخترع الأمريكي جورج برايتون أول محرك احتراق داخلي تجاري يعمل بوقود سائل في عام 1860.
عمل نيكولاس أوتو مع جوتليب دايملر وفيلهلم مايباخ على اختراع محرك رباعي الأشواط ذات شحنة مضغوطة (الشحنة المضغوطة: خليط الوقود والهواء يتم ضغطه في أسطوانات المحرك) في عام 1876.
اخترع كارل بنز محرك غازي ثنائي الشوط في عام 1879.
طور رودولف ديزل أول محرك اشعال بالانضغاط ذات شحنة مضغوطة في عام 1892.
أطلق روبرت جودارد أول صاروخ يعمل بوقود سائل في عام 1926.
أصبح طائرة هينكل إتش إي 178 أول طائرة نفاثة في العالم في عام 1939.
أصل المصطلحات
كانت كلمة محرك (بالإنجليزية: Engine) (مأخوذه من الفرنسية القديمة، التي أخذتها من الكلمة اللاتينية “ingenium” والتي تعني «القدرة») في وقت ما تعني أي قطعة من الألة، الفهم الذي مازال مستمراً في المصطلحات مثل محرك الحصار، بنما تشير كلمة «موتور» (مأخوذه من اللاتينية “motor” وتعني «محرك») إلى أي ألة تنتج قدرة ميكانيكية. لا يُطلق على المواتير الكهربائية عادة لفظ «محركات»، بينما يُشار إلى محركات الاحتراق الداخلي بلفظ «مواتير» (يشير لفظ «محرك كهربي» (بالإنجليزية: Electric engine) إلى قاطرة كهربائية.).
يُشار إلى محرك الاحتراق الداخلي المركب في هيكل السفينة بلفظ «محرك»، بينما يُطلق على المحركات المركبة على سطح السفينة لفظ «مواتير».
التطبيقات
تعتبر المحركات المكبسية الترددية أكثر مصدر طاقة شيوعاً للمركبات البرية والمائية، مثل السيارات والدراجات النارية والسفن، وبدرجة أقل القاطرات (بعض القاطرات يعمل بالكهرباء لكن معظمها يستخدم محركات ديزل). تُستخدم محركات فانكل الدوارة في بعض السيارات والطائرات والدراجات النارية.
ظهرت محركات الاحتراق الداخلي في صورة التربينات الغازية أو محركات فانكل عندما نشأت الحاجة إلى نسب قدرة إلى وزن مرتفعة جداً. تستخدم الطائرات محركات الاحتراق الداخلي، حيث كانت تستخدم الأنواع القديمة المحركات الترددية، بينما تُستخدم المحركات النفاثة الآن، وتستخدم المروحيات محرك عمود دوران توربيني الذي يندرج مع المحرك النفاث ضمن أنواع التربينات الغازية. قد تستخدم طائرات الرحلات محرك احتراق داخلي منفصل كوحدة طاقة مساعدة. جُهز العديد من الطائرات الألية بمحركات فانكل.
تشغل محركات الاحتراق الداخلي مولدات كهربائية كبيرة تزود الشبكات الكهربائية بالطاقة. تتواجد المحركات في صورة تربينات غازية في دورة طاقة مركبة (تربينات غازية وتربينات بخارية) تتراوح قدرتها الكهربائية الناتجة من 100 ميجا وات إلى 1 جيجا وات. تُستخدم غازات عادم المحرك ذات درجة الحرارة المرتفعة في الغلي والتسخين الفائق للمياه لتشغيل التربينة البخارية، لذلك تكون كفاءة الدورة المركبة أكبر حيث تكون الطاقة المستفادة من الوقود أكثر من التي يُمكن الاستفادة بها في حالة التربينة الغازية فقط. تتراوح القيم المثالية لكفاءة الدورات المركبة من 50 إلى 60%. تُستخدم مولدات الديزل في نطاق أصغر كمصدر احتياطي للطاقة وكمصدر طاقة للمناطق التي لا يتوافر فيها شبكات كهربائية.
تُستخدم المحركات الصغيرة (محركات بنزين ثنائية الشوط عادة) كمصدر طاقة شائع لألات جز العشب والمناشير الكهربائية ومنفاخ أوراق الشجر وألات الغسل ذات الضغط العالي وزلاجات الجليد الألية والزلاجة المائية والمحركات الخارجية (محركات دفع القوارب) والدراجات والدراجات النارية.
التصنيفات
يوجد عدة طرق لتصنيف محركات الاحتراق الداخلي.
المحركات المترددة
تُصنف المحركات المترددة تبعاً لعدد الأشواط إلى:
محرك ثنائي الشوط
دورة كليرك عام 1879.
دورة داي.
محرك رباعي الأشواط (دورة أوتو).
محرك سداسي الأشواط.
وتُصنف تبعاً لطريقة الإشعال إلى:
محرك اشعال بالانضغاط.
محرك اشعال بالشرارة (محرك بنزين).
وتُصنف تبعاً لدورة الحرارية إلى:
دورة أتكنسون.
دورة ميلر.
(لا تشمل هاتين الدورتين كل المحركات المترددة، ومن النادر استخدامهما).
المحركات الدوارة
تنقسم المحركات الدوارة إلى:
محرك فانكل.
محركات الاحتراق المتصل:
التربينة الغازية.
المحرك النفاث.
محرك صاروخي.
محرك نفاث تضاغطي.
المحرك النفاث التوربيني.
المحرك التوربيني المروحي.
المحرك التوربيني ذو المروحة الدافعة.
المحركات المترددة
صمامات فوق رؤوس أسطوانات محرك ديزل. تستخدم هذه الصمامات ذراع هزاز (بالإنجليزية: Rocker arm) لكن بدون أعمدة دفع (بالإنجليزية: Push rod).
التركيب
شكل حاوية الأسطوانات من أسفل. يظهر في الصورة الأسطوانات ورشاشات الزيت ونصف كل محمل رئيسي.
تُعتبر حاوية المحرك هي قاعدة محرك الاحتراق الداخلي وتُصنع عادة من الحديد الزهر أو الألومنيوم. تحتوي حاوية المحرك على الأسطوانات بداخلها. تُوضع الأسطوانات في صف واحد (محرك مستقيم) أو في صفين (محرك مسطح أو محرك شكل V) أو ثلاثة صفوف (محرك شكل W) في المحركات التي تحتوي على أكثر من أسطوانة، وتوجد أشكال أخرى للمحرك يمكن استخدامها. تُستخدم محركات الأسطوانة الواحدة في الدراجات النارية وفي الألات ذات المحركات الصغيرة. تحتوي المحركات المبردة بالمياه على ممرات في حاوية المحرك يدور فيها مائع التبريد. تُبرد بعض المحركات الصغيرة بالهواء بدلاً من المياه، وتستخدم زعانف معدنية تبرز من حاوية المحرك لتبرده بانتقال الحرارة مباشرة إلى الهواء. تُجلح جدران الأسطوانة في النهاية بشكل متقاطع (بالإنجليزية: Cross hatch finish) حتى تحتفظ بالزيت. إذا كان جدار الأسطوانة خشن جداً، سيؤدي ذلك إلى تآكل المكبس بسرعة مما يسبب الضرر إلى المحرك.
المكابس هي أجزاء أسطوانية تتعرض من جهة واحدة في الأسطوانة لخليط مرتفع الضغط من الهواء المضغوط والغازات الناتجة عن الاحتراق، وتتحرك المكابس منزلقة داخل الأسطوانات باستمرار خلال عمل المحرك. يُسمى الجدار العلوي للمكبس برأس المكبس (بالإنجليزية: Crown) ويكون عادة مسطح أو مقعر. تستخدم بعض المحركات ثنائية الشوط رأس مكبس منحرف. تكون المكابس مفتوحة ومجوفة من أسفل فيما عادة الهيكل الخارجي لها. عندما يعمل المحرك يُؤثر ضغط الغازات الناتجة من غرفة الاحتراق بقوة على رأس المكبس، تنتقل منه إلى الهيكل الخارجي ثم إلى مسمار المعصم (المسمار الذي يربط ذراع التوصيل بالمكبس). يحتوي كل مكبس على حلقات مثبتة حوله لتمنع تسرب الغازات من داخل الأسطوانة إلى علبة المرافق، وتمنع تسرب الزيت إلى غرفة الاحتراق. يتخلص نظام تهوية علبة المرافق من كميات الغاز الصغيرة التي تتسرب خلف المكبس أثناء التشغيل العادي، ويقوم بطردها خارج علبة المرافق حتى لا تتراكم وتلوث الزيت وتسبب صدأ أو تآكل. تكون علبة المرافق جزء من مسار الهواء والوقود في محركات البنزين ثنائية الشوط، ونتيجة للسريان المستمر للخليط لا تحتاج إلى نظام تهوية منفصل.
يتصل رأس الأسطوانة بحاوية المحرك بواسطة براغي (مثبتة) ومسامير مسننة كثيرة. يوجد عدة وظائف لرأس الأسطوانة، فهو يقوم بعزل الأسطوانات من الجهة المقابلة للمكابس، ويحتوي على أنابيب قصيرة للشحنة الداخلة ولغازات العادم ولصمامات الدخول التي تفتح لتمتلئ الأسطوانة بالهواء، وصمامات العادم التي تفتح لتسمح بطرد غازات العادم للخارج. تصل المحركات ثنائية الشوط، بالرغم من ذلك، فتحات الغاز مباشرة بجدار الأسطوانة بدون استخدام صمامات قفازية، حيث تتحكم المكابس بفتح وغلق هذه الفتحات أثناء العمل. تُثبت شمعة اشعال في رأس الأسطوانة أيضاً في محركات الاشعال بالشرارة، وكذلك يُثبت حاقن وقود في محركات الحقن المباشر. تستخدم كل محركات الاشعال بالانضغاط حقن الوقود، وغالباً تستخدم الحقن المباشر لكن بعض المحركات تستخدم الحقن غير المباشر أيضاً. يُمكن لمحركات الإشعال بالشرارة أن تستخدم مازج وقود أو حقن الوقود من خلال فتحة (بالإنجليزية: Port) أو حقن مباشر. تحتوي معظم محركات الإشعال بالشرارة على شمعة اشعال واحدة في كل أسطوانة، لكن بعض المحركات تحتوي على شمعتين في كل أسطوانة. تمنع حشية رأس الأسطوانة تسرب الغاز بين رأس الأسطوانة وحاوية المحرك. يتم التحكم في فتح وغلق الصمامات عن طريق واحد أو أكثر من أعمدة الحدبة والزنبركات، بينما تستخدم بعض المحركات صمام متغير التحكم (بالإنجليزية: Desmodromic valve ) لايستخدم أي زنبركات. يُمكن أن يضغط عمود الحدبة مباشرة على الصمام أو على ذراع هزاز مباشرة أو من خلال عمود دفع.
تُعزل علبة المرافق من أسفل بتركيب حوض مجمع لتجميع الزيت المتساقط أثناء التشغيل لإعادة استخدامه مرة أخرى. يتواجد عمود المرفق في التجويف بين حاوية الأسطوانات والحوض المجمع، ويقوم بتحويل حركة المكابس الترددية إلى حركة دورانية. تُستخدم المحامل الرئيسية لتثبيت عمود المرفق بالنسبة لحاوية المحرك حتى يدور. تشكل الحواجز الموجودة في علبة المرافق نصف كل محمل رئيسي، ويكون النصف الآخر عبارة عن سدادة منفصلة على شكل قبعة. يُستخدم غطاء محمل رئيسي واحد في بعض الحالات بدلاُ من عدة سدادات صغيرة على شكل قبعة. يتصل ذراع التوصيل بأجزاء عمود المرفق المتباعدة (مسامير المرفق) من أحد نهايتيه، ومن نهايته الأخرى يتصل بالمكبس بواسطة مسمار المعصم، وهكذا يقوم بنقل وتحويل الحركة الترددية من المكابس إلى حركة دورانية في عمود المرفق. تُسمى نهاية ذراع التوصيل المتصلة بمسمار المعصم بالنهاية الصغيرة، وتُسمى النهاية الأخرى التي تصله بعمود المرفق بالنهاية الكبيرة. تكون النهاية الكبيرة عبارة عن نصفين منفصلين حتى تلتف على عمود المرفق، وتُثبت معه بواسطة براغي قابلة للإزالة.
يتصل أنبوب السحب المتشعب وأنبوب العادم المتشعب بفتحاتهما المقابلة في رؤوس الأسطوانات. يتصل أنبوب السحب المشتعب مباشرة بفلتر هواء، أو بمكربن الهواء إن تواجد والذي يكون متصلاً بفلتر هواء. يقوم أنبوب السحب بتوزيع الهواء على الأسطوانات مفردة. يُعتبر أنبوب العادم المتشعب أول جزء في نظام العادم، حيث يقوم بتجميع غازات العادم من الأسطوانات وتوصليها للجزء التالي في مسار العادم. قد يحتوي نظام العادم في محركات الاحتراق الداخلي على محول حفزي يقلل من تأثير الغازات السامة، وكاتم صوت يقلل من تأثير الضوضاء. ينتهي مسار غازات العادم بأنبوب الذيل الذي يقوم بطردها إلى الهواء.
محرك رباعي الاشواط
تعرف النقطة الميتة العليا للمكبس على أنها أقرب نقطة يقترب إليها المكبس من الصمامات، بينما تُعرف النقطة الميتة السفلى أنها أبعد نقطة يبتعد فيها المكبس عن الصمامات. يُعرف شوط المكبس أنه المسافة التي يتحركها المكبس من النقطة الميتة العليا إلى النقطة الميتة السفلى والعكس.
يدور عمود المرفق بسرعة ثابتة أثناء عمل المحرك. يتم كل مكبس في محرك الاحتراق الداخلي رباعي الأشواط، شوطين لكل دورة من دوران عمود المرفق، ويكون ترتيب الأشواط كالتالي بداية من النقطة الميتة العليا: