محرك

في عام ١٨٩٧، مُنح كارل بنز براءة اختراع لتصميمه أول محرك بمكابس متقابلة أفقياً. ابتكر تصميمه محركاً تتحرك فيه المكابس المتناظرة داخل أسطوانات أفقية وتصل إلى النقطة الميتة العليا في آنٍ واحد، مما يُحقق توازناً تلقائياً فيما بينها من حيث زخمها الفردي. ^{[ ١٩ ] [ ٢٠ ]} تُعرف محركات هذا التصميم غالباً باسم المحركات "المسطحة" أو "البوكسر" نظراً لشكلها وانخفاض ارتفاعها. وقد استُخدمت في سيارة فولكس فاجن بيتل ، ^{[ ٢١ ]} وسيتروين ٢ سي في ، وبعض سيارات بورش وسوبارو، والعديد من دراجات بي إم دبليو وهوندا النارية . ولا تزال المحركات ذات الأربع والست أسطوانات المتقابلة تُستخدم كمصدر طاقة في الطائرات الصغيرة ذات المراوح . ^{[ ٢٢ ]}

يعود استمرار استخدام محركات الاحتراق الداخلي في السيارات جزئيًا إلى تحسين أنظمة التحكم في المحرك، مثل أجهزة الكمبيوتر الموجودة على متن السيارة والتي توفر عمليات إدارة المحرك، وحقن الوقود المُتحكم فيه إلكترونيًا. وقد أدى استخدام الشحن التوربيني والشحن الفائق إلى زيادة قدرة المحركات ذات الإزاحة الأصغر حجمًا، والتي تتميز بخفة وزنها وكفاءتها العالية في استهلاك الوقود عند سرعات القيادة العادية. وقد طُبقت تغييرات مماثلة على محركات الديزل الأصغر حجمًا، مما منحها خصائص أداء مماثلة تقريبًا لمحركات البنزين. ويتضح ذلك جليًا مع انتشار سيارات الديزل الصغيرة في أوروبا. تُنتج محركات الديزل انبعاثات أقل من الهيدروكربونات وثاني _أكسيد الكربون ، ولكنها تُنتج تلوثًا أكبر بالجسيمات وأكاسيد النيتروجين ، مقارنةً بمحركات البنزين. ^{[ 23 ] كما أن محركات الديزل أكثر كفاءة} _في استهلاك الوقود بنسبة 40% من محركات البنزين المماثلة. ^{[ 23 ]}

شهد النصف الأول من القرن العشرين اتجاهاً نحو زيادة قوة المحركات، لا سيما في الطرازات الأمريكية. وشملت التعديلات التصميمية جميع الطرق المعروفة لزيادة سعة المحرك، بما في ذلك زيادة الضغط داخل الأسطوانات لتحسين الكفاءة، وزيادة حجم المحرك، وزيادة معدل إنتاجه للطاقة. وقد أدت القوى والضغوط المتزايدة الناتجة عن هذه التعديلات إلى اهتزاز المحرك ومشاكل في حجمه، مما دفع إلى استخدام محركات أكثر صلابة وأكثر انضغاطاً، حيث حلت تصميمات الأسطوانات المتقابلة محل التصميمات الخطية الطويلة.

يتم الوصول إلى كفاءة الاحتراق المثلى في سيارات الركاب عند درجة حرارة سائل التبريد حوالي 110 درجة مئوية (230 درجة فهرنهايت) . ^{[ 24 ]}  

شهدت مراحل تطوير محركات السيارات المبكرة تنوعًا أكبر بكثير في المحركات مقارنةً بما هو شائع الاستخدام اليوم. تراوحت تصميمات المحركات بين أسطوانة واحدة وست عشرة أسطوانة، مع اختلافات مقابلة في الحجم الكلي والوزن وسعة المحرك وأقطار الأسطوانات . واعتمدت غالبية الطرازات على أربع أسطوانات وقدرات تتراوح بين 19 و120  حصانًا (14 إلى 90  كيلوواط). كما صُنعت عدة طرازات بثلاث أسطوانات تعمل بنظام الشوطين، بينما كانت معظم المحركات ذات أسطوانات مستقيمة أو متراصة. وظهرت أيضًا عدة طرازات من نوع V، بالإضافة إلى طرازات ثنائية ورباعية الأسطوانات ذات ترتيب أفقي متقابل. وكان استخدام عمود الكامات العلوي شائعًا. وكانت المحركات الأصغر حجمًا تُبرد عادةً بالهواء وتُوضع في الجزء الخلفي من السيارة، وكانت نسب الانضغاط فيها منخفضة نسبيًا. وشهدت سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي اهتمامًا متزايدًا بتحسين كفاءة استهلاك الوقود ، مما أدى إلى العودة إلى تصميمات V-6 وأربع أسطوانات أصغر حجمًا، مع ما يصل إلى خمسة صمامات لكل أسطوانة لتحسين الكفاءة. تعمل سيارة Bugatti Veyron 16.4 بمحرك W16 ، مما يعني أن تصميمين لأسطوانات V8 يتم وضعهما بجانب بعضهما البعض لإنشاء  شكل W يشتركان في نفس عمود المرفق.

يُعد محرك Wärtsilä-Sulzer RTA96-C أكبر محرك احتراق داخلي تم بناؤه على الإطلاق، وهو محرك ديزل توربيني ثنائي الأشواط ذو 14 أسطوانة، صُمم لتشغيل سفينة Emma Mærsk ، أكبر سفينة حاويات في العالم عند إطلاقها عام 2006. تبلغ كتلة هذا المحرك 2300 طن، وعند تشغيله بسرعة 102  دورة في الدقيقة (1.7  هرتز) ينتج أكثر من 80 ميغاواط، ويمكنه استهلاك ما يصل إلى 250 طنًا من الوقود يوميًا. ^{[ 25 ]}

محركات الاحتراق هي محركات حرارية تعمل بحرارة عملية الاحتراق . ^{[ 26 ]}

محرك الاحتراق الداخلي هو محرك يتم فيه احتراق الوقود (عادةً الوقود الأحفوري ) مع مؤكسد (عادةً الهواء) في غرفة الاحتراق . في محرك الاحتراق الداخلي، يؤدي تمدد الغازات ذات درجة الحرارة والضغط العاليين ، والناتجة عن الاحتراق، إلى تطبيق قوة مباشرة على مكونات المحرك، مثل المكابس أو شفرات التوربين أو الفوهة ، ومن خلال تحريكها لمسافة معينة، يتم توليد شغل ميكانيكي . ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

محرك الاحتراق الخارجي هو محرك حراري يُسخّن فيه سائل التشغيل الداخلي عن طريق احتراق مصدر خارجي، عبر جدار المحرك أو مبادل حراري . ثم يتمدد السائل ويؤثر على آلية المحرك، مُنتجًا حركةً وشغلًا قابلًا للاستخدام . ^{[ 31 ]} بعد ذلك، يُبرّد السائل ويُضغط ويُعاد استخدامه (دورة مغلقة)، أو (في حالات أقل شيوعًا) يُصرّف ويُسحب سائل بارد (محرك هواء ذو ​​دورة مفتوحة).

يشير مصطلح " الاحتراق " إلى حرق الوقود مع عامل مؤكسد لتوفير الحرارة. قد تستخدم المحركات ذات التكوين والتشغيل المتشابهين (أو حتى المتطابقين) مصدراً للحرارة من مصادر أخرى مثل الطاقة النووية أو الشمسية أو الحرارية الأرضية أو التفاعلات الطاردة للحرارة التي لا تتضمن الاحتراق؛ ولكنها لا تُصنف حينها بدقة على أنها محركات احتراق خارجي، بل محركات حرارية خارجية. ^{[ 32 ]}

يمكن أن يكون سائل التشغيل غازًا كما في محرك ستيرلينغ ، أو بخارًا كما في المحرك البخاري، أو سائلًا عضويًا مثل البنتان العادي في دورة رانكين العضوية . ويمكن أن يكون للسائل أي تركيبة؛ والغاز هو الأكثر شيوعًا، مع أنه يُستخدم أحيانًا سائل أحادي الطور . في حالة المحرك البخاري، يتغير طور السائل بين السائل والغاز. ^{[ 33 ]}

محركات الاحتراق التي تعمل بالهواء هي محركات احتراق تستخدم الأكسجين الموجود في الهواء الجوي لأكسدة (حرق) الوقود، بدلاً من حمل مؤكسد ، كما هو الحال في الصواريخ . نظرياً، من المفترض أن ينتج عن ذلك دافع نوعي أفضل من محركات الصواريخ. ^{[ 34 ]}

يتدفق تيار مستمر من الهواء عبر المحرك الذي يعمل بالهواء المضغوط. ثم يُضغط هذا الهواء، ويُخلط بالوقود، ويُشعل، ويُطرد كغاز عادم . في محركات التفاعل ، تخرج غالبية طاقة الاحتراق (الحرارة) من المحرك كغاز عادم، مما يوفر قوة الدفع مباشرةً. ^{[ 35 ]}

أمثلة

تشمل المحركات النموذجية التي تعمل بالهواء ما يلي:

• محرك ترددي
• محرك بخاري
• توربينات الغاز
• محرك نفاث يتنفس الهواء
• محرك توربيني مروحي
• محرك التفجير النبضي
• نبضي نفاث
• رام جيت
• سكرامجت
• محرك دورة الهواء السائل / محركات التفاعل SABRE .

عادةً ما يؤثر تشغيل المحركات سلبًا على جودة الهواء ومستويات الضوضاء المحيطة . وقد ازداد التركيز مؤخرًا على خصائص أنظمة الطاقة في السيارات المسببة للتلوث، مما أدى إلى اهتمام متزايد بمصادر الطاقة البديلة وتطوير محركات الاحتراق الداخلي. ورغم ظهور عدد محدود من المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات، إلا أنها لم تثبت قدرتها التنافسية نظرًا لتكلفتها وخصائص تشغيلها. ^{[ 36 ]} في القرن الحادي والعشرين، ازداد الإقبال على محركات الديزل بين مالكي السيارات. ومع ذلك، لم يواجه محرك البنزين ومحرك الديزل، رغم أجهزة التحكم في الانبعاثات الجديدة التي تُحسّن أداء الانبعاثات، منافسةً حقيقيةً بعد. ^{[ 37 ]} وقد طرح عدد من المصنّعين محركات هجينة، تتألف أساسًا من محرك بنزين صغير مقترن بمحرك كهربائي وبطارية كبيرة، وبدأت هذه المحركات تكتسب شعبيةً متزايدةً نظرًا لوعيها البيئي.

يتكون غاز العادم الناتج عن محرك الاحتراق الداخلي من المكونات التالية: النيتروجين بنسبة 70 إلى 75% (حجميًا)، وبخار الماء بنسبة 10 إلى 12%، وثاني أكسيد الكربون بنسبة 10 إلى 13.5%، والهيدروجين بنسبة 0.5 إلى 2%، والأكسجين بنسبة 0.2 إلى 2%، وأول أكسيد الكربون بنسبة 0.1 إلى 6%، والهيدروكربونات غير المحترقة ونواتج الأكسدة الجزئية (مثل الألدهيدات ) بنسبة 0.5 إلى 1%، وأول أكسيد النيتروجين بنسبة 0.01 إلى 0.4%، وأكسيد النيتروز بنسبة أقل من 100 جزء في المليون، وثاني أكسيد الكبريت بنسبة 15 إلى 60 جزء في المليون، وآثار من مركبات أخرى مثل إضافات الوقود ومواد التشحيم، بالإضافة إلى مركبات الهالوجين والمعادن، وجزيئات أخرى. ^{[ 38 ]} يُعد أول أكسيد الكربون غازًا شديد السمية، ويمكن أن يُسبب التسمم به ، لذا من المهم تجنب تراكمه في الأماكن المغلقة. يمكن للمحولات الحفزية أن تقلل من الانبعاثات السامة، لكنها لا تقضي عليها تماماً. كما أن انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، وخاصة ثاني أكسيد الكربون، الناتجة عن الاستخدام الواسع النطاق للمحركات في العالم الصناعي الحديث، تساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي ، وهو مصدر قلق رئيسي فيما يتعلق بظاهرة الاحتباس الحراري .

تحوّل بعض المحركات الحرارة الناتجة عن عمليات غير احتراقية إلى طاقة ميكانيكية، فعلى سبيل المثال، تستخدم محطة الطاقة النووية الحرارة الناتجة عن التفاعل النووي لإنتاج البخار وتشغيل محرك بخاري، أو قد يتم تشغيل توربين غازي في محرك صاروخي عن طريق تحلل بيروكسيد الهيدروجين . وبغض النظر عن اختلاف مصدر الطاقة، فإن تصميم المحرك غالبًا ما يكون مشابهًا لتصميم محرك الاحتراق الداخلي أو الخارجي. ^{[ 39 ]}

تشمل مجموعة أخرى من المحركات غير الاحتراقية المحركات الحرارية الصوتية (وتُسمى أحيانًا "محركات TA")، وهي أجهزة حرارية صوتية تستخدم موجات صوتية عالية السعة لنقل الحرارة من مكان إلى آخر، أو تستخدم فرقًا في درجات الحرارة لتوليد موجات صوتية عالية السعة. وبشكل عام، يمكن تقسيم المحركات الحرارية الصوتية إلى أجهزة تعمل بموجات ثابتة وأجهزة تعمل بموجات متحركة. ^{[ 40 ]}

تُعدّ محركات ستيرلينغ نوعًا آخر من المحركات الحرارية غير الاحتراقية. فهي تستخدم دورة ستيرلينغ الديناميكية الحرارية لتحويل الحرارة إلى شغل. ومن الأمثلة على ذلك محرك ستيرلينغ من النوع ألفا، حيث يتدفق الغاز، عبر مُسترد حرارة ، بين أسطوانة ساخنة وأخرى باردة، متصلتين بمكابس مترددة بفارق طور 90 درجة. يكتسب الغاز الحرارة عند الأسطوانة الساخنة ويتمدد، دافعًا المكبس الذي يُدير عمود المرفق . بعد التمدد والتدفق عبر مُسترد الحرارة، يفقد الغاز الحرارة عند الأسطوانة الباردة، ويؤدي انخفاض الضغط الناتج إلى ضغطه بواسطة المكبس الآخر (مكبس الإزاحة)، مما يدفعه عائدًا إلى الأسطوانة الساخنة. ^{[ 41 ]}

المحرك الهوائي آلة تحوّل الطاقة الكامنة في الهواء المضغوط إلى شغل ميكانيكي . وتقوم المحركات الهوائية عمومًا بتحويل الهواء المضغوط إلى شغل ميكانيكي من خلال حركة خطية أو دورانية. تأتي الحركة الخطية من غشاء أو مكبس، بينما تُستمد الحركة الدورانية من محرك هوائي ذي ريش أو مكبس. وقد حققت المحركات الهوائية نجاحًا واسعًا في صناعة الأدوات اليدوية، وتُبذل جهود متواصلة لتوسيع استخدامها في قطاع النقل. ومع ذلك، لا بد للمحركات الهوائية من التغلب على أوجه القصور في الكفاءة قبل أن تُعتبر خيارًا عمليًا في قطاع النقل.

يستمد المحرك الهيدروليكي طاقته من سائل مضغوط . ويُستخدم هذا النوع من المحركات لتحريك الأحمال الثقيلة وتشغيل الآلات. ^{[ 47 ]}

يمكن أن تحتوي بعض وحدات المحركات على مصادر طاقة متعددة. على سبيل المثال، يمكن لمحرك السيارة الكهربائية الهجينة القابلة للشحن أن يحصل على الكهرباء إما من بطارية أو من مدخلات الوقود الأحفوري عبر محرك احتراق داخلي ومولد. ^{[ 48 ]}