شمعة التسخين (محرك نموذجي)

محرك شمعة التوهج ، أو محرك التوهج ، هو نوع من محركات الاحتراق الداخلي الصغيرة ^{[ 1 ]،} ويُستخدم عادةً في الطائرات والسيارات النموذجية، وما شابهها من تطبيقات. ويتم الاشتعال من خلال مزيج من التسخين الناتج عن الضغط، والتسخين من شمعة التوهج، والتأثير التحفيزي للبلاتين الموجود داخل شمعة التوهج على الميثانول الموجود في الوقود.

اخترع المخترع الألماني راي أردن أول شمعة توهج لمحركات النماذج في عام 1947. ^{[ 2 ]}

تختلف شمعات التسخين المستخدمة في محركات النماذج اختلافًا كبيرًا عن تلك المستخدمة في محركات الديزل الحقيقية . ففي المحركات الحقيقية، تُستخدم شمعة التسخين فقط لبدء التشغيل. أما في محركات النماذج، فتُعدّ شمعة التسخين جزءًا لا يتجزأ من نظام الإشعال نظرًا للتأثير التحفيزي لسلك البلاتين . شمعة التسخين عبارة عن سلك حلزوني متين، مصنوع في معظمه من البلاتين، ومُثبّت داخل طرف الشمعة. عند مرور تيار كهربائي عبر الشمعة، أو عند تعرضها لحرارة غرفة الاحتراق، يتوهج السلك، مما يُساعد على إشعال الوقود الخاص المستخدم في هذه المحركات. يُمكن تزويد المحرك بالطاقة باستخدام موصل خاص يُركّب على سطحه الخارجي، وقد يستخدم بطارية قابلة للشحن أو مصدر طاقة تيار مستمر.

توجد ثلاثة أنواع/أشكال (على الأقل) من شمعات التسخين. شمعة التسخين القياسية، المتوفرة بنوعين: طويلة/قياسية وقصيرة (للمحركات الصغيرة)، وبتصميمين: مفتوح وذو قضيب تباطؤ، تحتوي على أنبوب ملولب يخترق غرفة الاحتراق بدرجات متفاوتة. نظرًا لصغر حجم غرفة الاحتراق، قد يؤثر تغيير العلامة التجارية أو نوع شمعة التسخين القياسية على نسبة الانضغاط. أما شمعات التسخين من نوع "توربو" (الأوروبية/المترية) وشمعات "نيلسون" (الأمريكية الشمالية/الإنجليزية)، فلا تخترق غرفة الاحتراق. بدلاً من ذلك، تحتوي على حافة مائلة تُحكم إغلاقها على سطح مطابق في أسفل فتحة شمعة التسخين. عند تركيب شمعة "توربو" أو "نيلسون" وإحكام إغلاقها لغرفة الاحتراق، فإنها تُكوّن سطحًا أملسًا داخل رأس الأسطوانة. يُعد هذا السطح الأملس مرغوبًا للغاية في التطبيقات عالية الأداء، مثل سباقات السرعة بالتحكم عن بُعد، وكذلك سيارات التحكم عن بُعد عالية الدوران. يسمح تصميم شمعات "توربو/نيلسون" بالتبديل بين العلامات التجارية دون التأثير على نسبة الانضغاط. لا يمكن استبدال شمعات الإشعال من نوع Turbo و Nelson لأنها تحتوي على خيوط وأبعاد مختلفة.

يتكون وقود التوهج عادةً من الميثانول مع نسب متفاوتة من نيتروميثان كمؤكسد لزيادة القدرة، وتتراوح هذه النسبة عادةً بين 5% و30% من إجمالي المزيج. تُعلق هذه المواد المتطايرة في زيت أساسي من زيت الخروع أو زيت اصطناعي أو مزيج منهما لتزييت المحرك والتحكم في حرارته. نظام التزييت من نوع "الفقد الكلي"، أي أن الزيت يُطرد من العادم بعد دورانه في المحرك. يشتعل الوقود عند ملامسته لعنصر التسخين في شمعة التوهج. بين أشواط المحرك، يبقى السلك ساخنًا، ويستمر في التوهج جزئيًا بسبب القصور الحراري، ولكن بشكل رئيسي بسبب تفاعل الاحتراق التحفيزي للميثانول المتبقي على سلك البلاتين. هذا يحافظ على سخونة السلك، مما يسمح له بإشعال الشحنة التالية، وبالتالي استدامة دورة الطاقة.

صُممت بعض محركات الطائرات للعمل بوقود خالٍ تمامًا من النيتروميثان. ويُطلق على هذا النوع من وقود التوهج اسم "وقود الاتحاد الدولي للطيران" (FAI)، نسبةً إلى الهيئة الإدارية للطيران التي تحمل الاسم نفسه، والتي تشترط استخدام هذا النوع من الوقود في بعض المسابقات.

لبدء تشغيل محرك الاحتراق الداخلي، يُطبَّق تيار مباشر بقوة 3 أمبير و1.5 فولت تقريبًا على شمعة الإشعال من خلال مُشعل شمعة الاحتراق أو مُشغِّل شمعة الاحتراق، الذي يعمل ببطارية قابلة للشحن أحادية الخلية عالية التيار، أو لوحة طاقة مُصممة خصيصًا لهذا الغرض تعمل بمصدر 12 فولت تيار مستمر. ^{[ 3 ]} يُسخِّن التيار سلك البلاتين، مما يجعله يتوهج باللون الأحمر، ومن هنا جاءت التسمية. ثم يُدار المحرك من الخارج باستخدام ذراع تدوير يدوي، أو بادئ تشغيل ارتدادي مدمج يعمل بحبل، أو محرك زنبركي، أو محرك كهربائي مُصمم خصيصًا لهذا الغرض ، أو يدويًا، لإدخال الوقود إلى غرفة الاحتراق. بمجرد اشتعال الوقود وتشغيل المحرك، لا تعود هناك حاجة للتوصيل الكهربائي ويمكن فصله. يُبقي كل احتراق سلك شمعة الاحتراق ساخنًا، مما يسمح، جنبًا إلى جنب مع تحفيز أكسدة الميثانول بواسطة البلاتين، بإشعال الشحنة التالية في دورة طاقة ذاتية الاستدامة. ^{[ 4 ] [ 3 ]}

قد تكون البطارية القابلة لإعادة الشحن من نوع NiMH أو NiCD أو Li-ion أو حمض الرصاص . يؤدي تطبيق الفولتية العالية لبطاريات حمض الرصاص (2.0 فولت) وبطاريات أيون الليثيوم (4.2 فولت) عند شحنها بالكامل مباشرةً على شمعة احتراق عادية بجهد 1.5 فولت إلى احتراقها فورًا. لذا، يمكن استخدام مقاومة ذات قيمة وقدرة مناسبتين، أو وصلة قاعدة/باعث ترانزستور جرمانيوم عالي القدرة (موصولة على التوالي مع أحد أطراف الشمعة) للحد من التيار المار عبر الشمعة إلى مستوى مناسب. حتى مع مدخل طاقة مناسب، قد تحترق شمعات الاحتراق في أي وقت، لذا يُنصح الهواة بحمل شمعات احتياطية. ^{[ 5 ]}

من الناحية الفنية، يُشبه محرك شمعة التسخين إلى حد كبير محرك الديزل ومحرك المصباح الساخن من حيث استخدام الحرارة الداخلية لإشعال الوقود، ولكن نظرًا لأن توقيت الإشعال لا يُتحكم فيه عن طريق حقن الوقود (كما هو الحال في محرك الديزل العادي)، أو كهربائيًا (كما هو الحال في محرك الإشعال الشراري)، فيجب ضبطه عن طريق تغيير خليط الوقود والهواء وتصميم شمعة الإشعال والملف (عادةً من خلال ضبط مداخل وأدوات تحكم مختلفة على المحرك نفسه). يميل الخليط الغني إلى تبريد سلك التسخين وبالتالي تأخير الإشعال، مما يُبطئ المحرك. يُنتج الخليط الفقير طاقة أكبر، لكن المحرك يكون أقل تزييتًا، مما قد يُسبب ارتفاع درجة الحرارة والاحتراق غير المنتظم. يُمكن أيضًا ضبط هذا "التكوين" باستخدام تصميمات مختلفة لشمعات الإشعال للحصول على تحكم حراري أكثر دقة. من بين جميع أنواع محركات الاحتراق الداخلي، يُشبه محرك شمعة التسخين محرك المصباح الساخن إلى حد كبير ، حيث يحدث الإشعال في كلا النوعين بسبب "بقعة ساخنة" داخل غرفة احتراق المحرك.

يمكن تصميم محركات شمعات التسخين للعمل بنظام ثنائي الأشواط (إشعال في كل دورة) أو نظام رباعي الأشواط (إشعال كل دورتين). ^{[ 4 ]} ينتج نظام ثنائي الأشواط طاقة أكبر، لكن محركات رباعية الأشواط تتميز بعزم دوران أعلى عند السرعات المنخفضة، وانخفاض مستوى الضوضاء، وصوت أكثر واقعية وأقل حدة. ^{[ 5 ]}

يجب تشغيل محرك شمعات التسخين بدرجة حرارة مناسبة. يمكن للمحركات الكبيرة العمل بدرجات حرارة منخفضة، بينما تشع المحركات الصغيرة الحرارة إلى الهواء بسرعة أكبر، مما يتطلب شمعة تسخين أكثر سخونة للحفاظ على درجة الحرارة المناسبة للاشتعال. كما تحدد درجة الحرارة المحيطة درجة حرارة شمعة التسخين المثلى؛ ففي الطقس البارد، يلزم استخدام شمعات أكثر سخونة. ولأن محركات شمعات التسخين تُبرد بالهواء، فقد يستفيد المحرك الذي يسخن بشدة أحيانًا من درجة حرارة شمعة تسخين منخفضة، على الرغم من أن ذلك قد يتسبب في اهتزاز المحرك عند التباطؤ وصعوبة ضبطه. يجب أيضًا مراعاة سرعة تشغيل المحرك؛ فإذا كان المحرك سيعمل بسرعة دوران عالية باستمرار، كما هو الحال في الطائرات أو السيارات على مسار مستقيم في الغالب، فإن درجة حرارة شمعة التسخين المنخفضة تكون أكثر كفاءة. أما إذا كان المحرك سيعمل بسرعة دوران منخفضة، فلن يسخن الاحتراق المحرك بنفس القدر، وبالتالي يلزم استخدام شمعة تسخين أكثر سخونة.

يجب مراعاة نوع الوقود ونسبة خليط الوقود والهواء. فكلما زاد محتوى النيتروميثان في الوقود، زادت حرارة احتراقه؛ لذا يتطلب الوقود عالي النيترو شمعات احتراق ذات درجة حرارة أقل. تحترق الخلائط الفقيرة (نسبة وقود إلى هواء منخفضة) بدرجة حرارة أعلى من الخلائط الغنية (نسبة وقود إلى هواء أعلى)، وقد ترتفع درجات حرارة التشغيل إلى مستويات قد تؤدي إلى تلف شمعة الاحتراق قبل الأوان في حال استخدام خليط فقير جدًا (خليط فقير جدًا).

إذا تباطأ المحرك ("تراجع") عند فصل طاقة البطارية، فيجب رفع درجة حرارة شمعة الإشعال أو نسبة النيتروميثان في الوقود، لأن المحرك ليس ساخنًا بما فيه الكفاية. أما إذا حدث انفجار عكسي عند تشغيل المحرك يدويًا، فهذا يعني أنه يعمل بدرجة حرارة عالية جدًا، ويجب خفض درجة حرارة شمعة الإشعال أو نسبة النيتروميثان في الوقود.

تتمتع شمعات التسخين بعمر افتراضي محدود، لذا يُنصح المستخدمون بتوفير عدة شمعات احتياطية. يجب أن تكون الشمعات البديلة من النوع الصحيح؛ فشمعات محركات التوربو غير متوافقة مع شمعات المحركات العادية. ينبغي ربط الشمعات بربع لفة إضافية بعد إحكامها لتجنب الربط الزائد. شمعات التسخين، كغيرها من الأجسام المتوهجة ، تكون شديدة السخونة، ويجب عدم إزالتها وهي ساخنة. كذلك، يجب توخي الحذر عند التزود بالوقود لأن شمعة التسخين الساخنة قد تُشعل الوقود. كما أن ارتفاع درجة حرارة البطارية قد يكون خطيرًا، لذا يجب استخدام موصلات عالية الجودة فقط.

شمعة التسخين التوربينية

• الطول الإجمالي: 17 مم (0.67 بوصة)  
• القطر: 0.35 بوصة (8.9 مم)  
• حجم الخيط: M8x.75mm ^{[ 6 ]}

شمعة توهج عادية

• الطول: 0.8 بوصة
• القطر: 6.35 مم
• الخيوط: 1/4-32 UNEF ^{[ 6 ]} (مواصفات الخيوط الأكثر استخدامًا لمحركات النماذج)

• محرك نيترو

• كل ما يتعلق بشمعات التسخين
• كيفية اختيار شمعة الإشعال المناسبة