محرك بورك

كان محرك بورك محاولةً من راسل بورك في عشرينيات القرن الماضي لتحسين محرك الاحتراق الداخلي ثنائي الأشواط . ورغم إتمامه تصميمه وبناء عدة محركات عاملة، إلا أن اندلاع الحرب العالمية الثانية ، ونقص نتائج الاختبارات، ^{[ 1 ]} وتدهور صحة زوجته، كلها عوامل حالت دون وصول محركه إلى السوق بنجاح. وتتمثل أبرز مزايا التصميم المزعومة في احتوائه على جزأين متحركين فقط ، وخفة وزنه، وإصداره نبضتين من الطاقة لكل دورة، وعدم حاجته إلى خلط الزيت بالوقود.

محرك بورك هو محرك ثنائي الأشواط ، يتكون من مجموعة مكبس واحدة متقابلة أفقياً، حيث يتحرك مكبسان في نفس الاتجاه وفي نفس الوقت، مما يجعل حركتهما متعاكسة بمقدار 180 درجة . يتصل المكبسان بآلية نير سكوتش بدلاً من آلية عمود المرفق الأكثر شيوعاً ، وبالتالي يكون تسارع المكبس جيبياً تماماً . هذا يجعل المكبسين يقضيان وقتاً أطول في النقطة الميتة العليا مقارنةً بالمحركات التقليدية. يتم ضغط الشحنة الداخلة في حجرة أسفل المكبسين، كما هو الحال في محرك ثنائي الأشواط تقليدي يعمل بشحن علبة المرافق. يمنع مانع تسرب ذراع التوصيل تلوث زيت التشحيم في الجزء السفلي من المحرك بالوقود.

دورة التشغيل مشابهة جدًا لدورة محرك الإشعال الشراري ثنائي الأشواط ذي الضغط في علبة المرافق، مع تعديلين:

1. يتم حقن الوقود مباشرة في الهواء أثناء مروره عبر منفذ النقل.
2. صُمم المحرك ليعمل دون استخدام شرارة إشعال بمجرد تسخينه. يُعرف هذا بالاشتعال الذاتي أو الاحتراق الذاتي، حيث يبدأ خليط الهواء والوقود بالاحتراق نتيجة ارتفاع درجة حرارة الغاز المضغوط ، و/أو وجود معدن ساخن في غرفة الاحتراق.

تم تحديد ميزات التصميم التالية:

• تُزعم كفاءة تبلغ 0.25  رطل/ساعة/حصان، وهي تقريبًا نفس كفاءة أفضل محركات الديزل، ^{[ 2 ]} أو ضعف كفاءة أفضل محركات الشوطين تقريبًا. ^{[ 3 ]} وهذا يعادل كفاءة ديناميكية حرارية تبلغ 55.4%، وهي نسبة عالية جدًا لمحرك احتراق داخلي صغير . في اختبار شهده طرف ثالث، بلغ استهلاك الوقود الفعلي  1.1 حصان/(رطل/ساعة)، ^{[ 4 ]} أو 0.9  رطل/ساعة/حصان، أي ما يعادل كفاءة ديناميكية حرارية تبلغ حوالي 12.5%، وهي نسبة نموذجية لمحركات البخار في عشرينيات القرن الماضي. ^{[ 5 ]} أظهر اختبار لمحرك فوكس سعة 30 بوصة مكعبة، صنعه أحد المقربين من بورك، استهلاكًا للوقود يبلغ 1.48 رطل/(حصان/ساعة)، أو 0.7 رطل/ساعة/حصان عند أقصى قدرة. ^{[ 6 ]}
• نسبة القوة إلى الوزن - زُعم أن محرك سيلفر إيجل يُنتج 25  حصانًا بوزن 45  رطلًا، أي بنسبة قوة إلى وزن تبلغ 0.55  حصان/رطل. أما المحرك الأكبر سعة 140 بوصة مكعبة، فكان يُنتج 120  حصانًا بوزن 125  رطلًا، أي ما يقارب 1  حصان/رطل. وزُعم أن محرك موديل H يُنتج 60  حصانًا بوزن 95  رطلًا، ما يُعطي نسبة قوة إلى وزن تبلغ 0.63  حصان/رطل. وذُكر أن المحرك ثنائي الأسطوانات سعة 30 بوصة مكعبة يُنتج 114  حصانًا عند 15000 دورة في الدقيقة بوزن 38  رطلًا فقط، أي بنسبة مذهلة تبلغ 3  حصان/رطل ^{[ 7 ]} . مع ذلك، أنتجت نسخة طبق الأصل من محرك سعة 30 بوصة مكعبة من شركة فوكس إنجنز 8.8  حصان فقط عند 4000 دورة في الدقيقة، حتى بعد تعديلات كبيرة. ^{[ 8 ]} وتُشير مصادر أخرى إلى نسب تتراوح بين 0.9 ^{[ 9 ]} و2.5  حصان/رطل، على الرغم من عدم وجود اختبارات موثقة ومُشاهدة بشكل مستقل تدعم هذه الأرقام العالية. يُعدّ الحد الأعلى لهذا المحرك أفضل بمرتين تقريبًا من أفضل محرك إنتاجي رباعي الأشواط معروض هنا، ^{[ 10 ]} أو  أفضل بمقدار 0.1 حصان/رطل من محرك Graupner G58 ثنائي الأشواط. ^{[ 11 ]} أما الحد الأدنى فهو عادي، ويمكن تجاوزه بسهولة من قبل محركات الإنتاج رباعية الأشواط، ناهيك عن ثنائية الأشواط. ^{[ 12 ]}
• الانبعاثات - لم يتم تحقيق أي انبعاثات تقريبًا من الهيدروكربونات (80 جزءًا في المليون) أو أول أكسيد الكربون (أقل من 10 أجزاء في المليون) في نتائج الاختبار المنشورة، ^{[ 13 ]} ومع ذلك لم يتم إعطاء أي ناتج طاقة لهذه النتائج ولم يتم قياس أكاسيد النيتروجين .
• انبعاثات منخفضة - يُزعم أن المحرك قادر على العمل بالهيدروجين أو أي وقود هيدروكربوني دون أي تعديلات، وينتج فقط بخار الماء وثاني أكسيد الكربون كانبعاثات.

يتمتع محرك بورك ببعض الميزات المثيرة للاهتمام، لكن من غير المرجح أن تؤكد الاختبارات الواقعية الادعاءات المبالغ فيها ^{[ 14 ] بشأن أدائه. العديد من هذه الادعاءات متناقضة. [ 15 ]}

1. سيؤدي الاحتكاك الناتج عن مانع التسرب بين حجرة ضاغط الهواء وعلبة المرافق، مقابل ذراع التوصيل ، إلى تقليل الكفاءة. ^{[ 16 ]}
2. ستنخفض الكفاءة بسبب فقدان الطاقة أثناء الضخ، حيث يتم ضغط وتمدد شحنة الهواء مرتين، ولكن لا يتم استخلاص الطاقة إلا في عملية تمدد واحدة لكل شوط مكبس. ^{[ 17 ] [ 18 ]}
3. من المرجح أن يكون وزن المحرك مرتفعًا لأنه سيتعين بناؤه بقوة لتحمل ضغوط الذروة العالية الناتجة عن الاحتراق السريع بدرجة حرارة عالية. ^{[ 19 ]}
4. كل زوج من المكابس غير متوازن للغاية، حيث يتحرك المكبسان في نفس الاتجاه وفي نفس الوقت، على عكس محرك البوكسر . ^{[ 20 ]} هذا يحد من نطاق السرعة، وبالتالي من قوة المحرك، ويزيد من وزنه نظرًا للبنية القوية اللازمة لتحمل القوى العالية في مكوناته. ^{[ 21 ]}
5. تميل محركات الشوطين عالية السرعة إلى أن تكون أقل كفاءة مقارنة بمحركات الأشواط الأربعة لأن جزءًا من شحنة السحب يتسرب دون احتراق مع العادم. ^{[ 22 ]}
6. سيؤدي استخدام كمية زائدة من الهواء إلى تقليل عزم الدوران المتاح لحجم محرك معين. ^{[ 23 ]}
7. إن دفع العادم بسرعة عبر منافذ صغيرة سيؤدي إلى مزيد من فقدان الكفاءة. ^{[ 24 ]}
8. يؤدي تشغيل محرك الاحتراق الداخلي في حالة الانفجار إلى تقليل الكفاءة بسبب فقدان الحرارة من غازات الاحتراق التي يتم احتكاكها بجدران غرفة الاحتراق بواسطة موجات الصدمة. ^{[ 25 ]}
9. الانبعاثات - على الرغم من أن بعض الاختبارات أظهرت انخفاضًا في الانبعاثات في بعض الظروف، إلا أن ذلك لم يكن بالضرورة عند التشغيل بكامل الطاقة. مع زيادة نسبة الكسح (أي عزم دوران المحرك)، ستزداد انبعاثات الهيدروكربونات وأول أكسيد الكربون. ^{[ 26 ]}
10. زيادة زمن التوقف عند النقطة الميتة العليا سيسمح بانتقال المزيد من الحرارة إلى جدران الأسطوانة، مما يقلل من الكفاءة. ^{[ 27 ]}
11. عند التشغيل في وضع الإشعال التلقائي، يتم التحكم في توقيت بدء الاحتراق بواسطة حالة تشغيل المحرك، وليس بشكل مباشر كما هو الحال في محركات الإشعال الشراري أو محركات الديزل. ولذلك، قد يكون من الممكن تحسينه لحالة تشغيل واحدة، ولكن ليس لنطاق عزم الدوران والسرعات الواسع الذي يشهده المحرك عادةً. وستكون النتيجة انخفاض الكفاءة وزيادة الانبعاثات. ^{[ 28 ]}
12. إذا كانت الكفاءة عالية، فلا بد أن تكون درجات حرارة الاحتراق عالية، كما هو مطلوب في دورة كارنو ، ويجب أن يكون خليط الهواء والوقود فقيراً. وتؤدي درجات حرارة الاحتراق العالية والخليط الفقير إلى تكوين ثاني أكسيد النيتروجين .

حصل راسل بورك على براءات اختراع بريطانية وكندية للمحرك في عام 1939: GB514842 ^{[ 29 ]} و CA381959. ^{[ 30 ]}

كما حصل على براءة اختراع أمريكية رقم 2,172,670 في عام 1939. ^{[ 31 ]}

• تشغيل المحرك ونمذجة التصميم بمساعدة الحاسوب