محرك المصباح الساخن

محرك ذو لمبة ساخنة (ثنائي الأشواط). 1. لمبة ساخنة. 2. أسطوانة. 3. مكبس. 4. علبة المرافق
محرك المصباح الساخن السويدي القديم قيد التشغيل

محرك المصباح الساخن ، المعروف أيضًا باسم محرك الديزل شبه الكامل [ 1 ] أو محرك أكرويد ، هو نوع من محركات الاحتراق الداخلي حيث يشتعل الوقود عند ملامسته سطحًا معدنيًا شديد السخونة داخل المصباح، يليه دخول الهواء (الأكسجين) المضغوط إلى حجرة المصباح الساخن بواسطة المكبس الصاعد . يحدث اشتعال جزئي عند دخول الوقود، ولكنه يستهلك الأكسجين المتاح في المصباح بسرعة. ولا يحدث اشتعال كامل إلا عند توفير كمية كافية من الأكسجين لحجرة المصباح الساخن خلال شوط الضغط في المحرك.

تم إنتاج معظم محركات المصباح الساخن كوحدات أحادية أو ثنائية الأسطوانات، منخفضة السرعة، ثنائية الأشواط ، تعمل بنظام تنظيف علبة المرافق . [ 1 ]

تاريخ

محرك هورنسبي-أكرويد الزيتي (1905):رباعي الأشواط، بقوة 14 حصانًا، يعمل في معرض دورست البخاري الكبير عام 2008

محرك هورنسبي-أكرويد رباعي الأشواط يعمل بالزيت

وضع هربرت أكرويد ستيوارت ، المخترع الإنجليزي، فكرة هذا المحرك . بُنيت النماذج الأولية عام 1886، وبدأ الإنتاج عام 1891 من قِبل شركة ريتشارد هورنسبي وأبنائه في غرانثام، لينكولنشاير، إنجلترا، تحت اسم " محرك هورنسبي أكرويد الزيتي الحاصل على براءة اختراع" بموجب ترخيص. [ 2 ] [ 3 ]

محركات ثنائية الأشواط ذات المصباح الساخن

بعد سنوات، طُوّر تصميم أكرويد-ستيوارت في الولايات المتحدة على يد المهاجرين الألمانيين ميتز ووايس، اللذين جمعا بين محرك المصباح الساخن ومبدأ التنظيف ثنائي الأشواط الذي طوره جوزيف داي ، مما وفر طاقة تقارب ضعف طاقة محرك رباعي الأشواط من نفس الحجم. وصُنعت محركات مماثلة للاستخدام الزراعي والبحري في مصانع مثل جيه . في. سفينسونز موتورفابريك ، وبوليندرز ، وليسكيلز ميكانيكا فيركستاد ، وإيه بي فيثاغورس، وغيرها الكثير في السويد.    

مقارنة بمحرك ديزل

كان محرك أكرويد-ستيوارت أول محرك احتراق داخلي يستخدم نظام حقن وقود مضغوط [ 4 ] ، كما كان أول محرك يستخدم غرفة احتراق منفصلة للتبخير. وهو  المحرك الرائد لجميع محركات البصيلة الساخنة، والتي تُعتبر بدورها سلفًا لمحركات الديزل ذات الحقن المسبق.

يختلف محرك هورنسبي-أكرويد الزيتي، وغيره من محركات الاحتراق الذاتي، عن تصميم رودولف ديزل الذي يعتمد على حرارة الضغط فقط. تتراوح نسبة الضغط في محرك أكرويد بين 3:1 و  5:1، بينما تتميز محركات الديزل  التقليدية بنسبة ضغط أعلى بكثير، تتراوح عادةً بين 15:1 و 20:1، مما يجعلها أكثر كفاءة. في محرك أكرويد، يُحقن الوقود خلال بداية شوط السحب (عند 140 درجة قبل النقطة الميتة العليا ) وليس عند ذروة الضغط (عند 15 درجة قبل النقطة الميتة العليا) كما هو الحال في محركات الديزل. [ 5 ]

دورة التشغيل والعمل

يشترك محرك المصباح الساخن في تصميمه الأساسي مع جميع محركات الاحتراق الداخلي الأخرى تقريبًا ، حيث يتكون من مكبس داخل أسطوانة متصلة بعجلة موازنة بواسطة ذراع توصيل وعمود مرفقي . عمل محرك أكرويد-ستيوارت الأصلي وفق دورة الأشواط الأربعة (السحب، والضغط، والاحتراق، والعادم)، واستمرت شركة هورنسبي في تصنيع محركات وفقًا لهذا التصميم، كما فعلت العديد من الشركات البريطانية الأخرى مثل بلاكستون وكروسلي . أما الشركات المصنعة في أوروبا والدول الاسكندنافية والولايات المتحدة (وبعض الشركات البريطانية بما في ذلك بيتر وغاردنر وآلن ) فقد صنعت محركات تعمل بدورة الشوطين مع نظام تنظيف علبة المرافق. وشكّل هذا النوع الأخير غالبية إنتاج محركات المصباح الساخن. ويتم التحكم في تدفق الغازات عبر المحرك بواسطة صمامات في محركات الأشواط الأربعة، وبواسطة المكبس الذي يغطي ويكشف منافذ في جدار الأسطوانة في محركات الشوطين.

موقد لحام يستخدم لتشغيل محرك المصباح الساخن
يتم استخدام موقد نفخ لتسخين المصباح الساخن لجرار لانز بولدوج

في محرك المصباح الساخن، يحدث الاحتراق في غرفة احتراق منفصلة تُسمى المبخر (أو المصباح الساخن )، وعادةً ما تُركّب على رأس الأسطوانة، حيث يُرشّ الوقود. يتصل المبخر بالأسطوانة عبر ممر ضيق، ويُسخّن بواسطة غازات الاحتراق أثناء التشغيل. يُستخدم لهب خارجي، مثل موقد اللحام أو فتيل بطيء الاحتراق، لبدء التشغيل. في الطرازات اللاحقة، استُخدم التسخين الكهربائي أو الألعاب النارية أحيانًا. طريقة أخرى هي استخدام شمعة إشعال وملف اهتزازي للإشعال؛ حيث يُشغّل المحرك بالبنزين، ثم يُحوّل إلى الزيت بعد تسخينه إلى درجة حرارة التشغيل.

يعتمد وقت التسخين المسبق على تصميم المحرك ونوع التدفئة المستخدمة ودرجة الحرارة المحيطة، ولكنه يتراوح عادةً بين دقيقتين وخمس دقائق لمعظم المحركات في المناخ المعتدل، وقد يصل إلى نصف ساعة في حال التشغيل في درجات حرارة شديدة البرودة أو إذا كان المحرك كبيرًا جدًا. بعد ذلك، يُدار المحرك، عادةً يدويًا، ولكن أحيانًا باستخدام الهواء المضغوط أو محرك كهربائي.

بمجرد تشغيل المحرك، تحافظ حرارة الضغط والاشتعال على درجة حرارة المصباح الساخن عند المستوى المطلوب، ويمكن إزالة موقد النفخ أو أي مصدر حرارة آخر. بعد ذلك، لا يحتاج المحرك إلى حرارة خارجية، ويكفيه تزويده بالهواء وزيت الوقود وزيت التشحيم. مع ذلك، قد يبرد المصباح الساخن بشكل مفرط عند انخفاض الطاقة. إذا كان الحمل على المحرك منخفضًا، فقد لا تكون درجات حرارة الاحتراق كافية للحفاظ على درجة حرارة المصباح الساخن. لهذا السبب، لا يمكن تشغيل العديد من محركات المصباح الساخن بدون حمل دون تسخين إضافي. تحتوي بعض المحركات على صمام خانق في مداخل الهواء لتقليل كمية الهواء البارد الزائد عند التشغيل بحمل خفيف أو سرعة منخفضة، بينما تحتوي محركات أخرى على فوهات رش وقود قابلة للتعديل لتوجيه تيار قوي من زيت الوقود إلى قلب المصباح الساخن حيث تكون درجات الحرارة أعلى، بدلاً من الرش الواسع المعتاد للوقود المُذرّر، وذلك للحفاظ على الاحتراق الذاتي أثناء التشغيل لفترات طويلة بحمل منخفض أو في وضع الخمول. وبالمثل، مع زيادة حمل المحرك، ترتفع درجة حرارة المصباح الساخن. يؤدي ذلك إلى تقدم بدء الاحتراق (حدوثه في وقت أبكر من الدورة)، مما يقلل من القدرة والكفاءة. وإذا سُمح للاحتراق بالتقدم أكثر من اللازم، فقد يحدث اشتعال مسبق ضار . كان هذا عاملًا مُحددًا لقدرة محركات المصباح الساخن، ولتجاوز هذا القيد، تتميز بعض محركات المصباح الساخن بنظام يتم فيه تقطير الماء في مدخل الهواء لخفض درجة حرارة شحنة الهواء ومقاومة الاشتعال المسبق، مما يسمح بقدرات أعلى. [ 6 ]

إن حقيقة إمكانية ترك المحرك دون مراقبة لفترات طويلة أثناء التشغيل جعلت محركات المصباح الساخن خيارًا شائعًا للتطبيقات التي تتطلب إنتاج طاقة ثابت، مثل الجرارات الزراعية والمولدات والمضخات ودفع قوارب القنوات .

محركات رباعية الأشواط

يُسحب الهواء إلى الأسطوانة عبر صمام السحب أثناء هبوط المكبس (شوط السحب). وخلال الشوط نفسه، يُرش الوقود في المبخر بواسطة مضخة وقود ميكانيكية (من النوع المتقطع) [ 7 ] عبر فوهة. يتبخر الوقود المحقون عند ملامسته السطح الداخلي الساخن للمبخر، لكن الحرارة غير كافية لإحداث الاشتعال. ثم يُدفع الهواء الموجود في الأسطوانة عبر الفتحة إلى المبخر أثناء صعود المكبس (شوط الضغط)، حيث يُضغط ضغطًا خفيفًا (بنسبة 3 :1 تقريبًا) - وهذا الضغط غير كافٍ لإحداث ارتفاع ملحوظ في درجة حرارة شحنة الهواء، والذي ينتج في الغالب عن تسخين الهواء بملامسته الأسطح الداخلية للبصلة الساخنة (التي تصبح حمراء اللون نتيجة التسخين الخارجي قبل بدء التشغيل أو نتيجة حرارة الاحتراق المستمرة أثناء تشغيل المحرك). يهدف شوط الضغط في المقام الأول إلى إحداث حركة مضطربة للهواء من الأسطوانة إلى المبخر، حيث يختلط مع زيت الوقود المُتبخر مسبقًا. يؤدي هذا المزج، وزيادة محتوى الأكسجين نتيجة ضغط الهواء الخفيف داخل المبخر، إلى اشتعال بخار زيت الوقود تلقائيًا. [ ٨ ] يكتمل احتراق شحنة الوقود في حجرة الاحتراق، ولكنه يُنتج شحنة متمددة من غازات العادم والهواء شديد التسخين. يدفع الضغط الناتج المكبس إلى الأسفل (شوط القدرة). تُحوّل حركة المكبس إلى حركة دورانية بواسطة مجموعة عمود المرفق وعجلة الموازنة، والتي يمكن توصيل المعدات بها لأداء العمل المطلوب. تخزن عجلة الموازنة الزخم، ويُستخدم جزء منه لتدوير المحرك عندما لا يتم إنتاج الطاقة. يرتفع المكبس، دافعًا غازات العادم عبر صمام العادم (شوط العادم). ثم تبدأ الدورة من جديد. 

محركات ثنائية الأشواط

تتشابه آلية حقن الوقود والاحتراق الأساسية في جميع محركات الاحتراق الداخلي، سواءً كانت رباعية الأشواط أو ثنائية الأشواط. تبدأ الدورة عندما يكون المكبس في أسفل شوطه. أثناء صعوده، يسحب الهواء إلى علبة المرافق عبر منفذ السحب. في الوقت نفسه، يُرش الوقود في المبخر. تُدفع شحنة الهواء الموجودة أعلى المكبس إلى المبخر، حيث تختلط بالوقود المُذرّر ويحدث الاحتراق. يُدفع المكبس إلى أسفل الأسطوانة. أثناء هبوطه، يكشف المكبس أولًا منفذ العادم. تتدفق غازات العادم المضغوطة خارج الأسطوانة. بعد جزء من كشف منفذ العادم، يكشف المكبس الهابط منفذ النقل. يضغط المكبس الآن الهواء في علبة المرافق، والذي يُدفع عبر منفذ النقل إلى الحيز فوق المكبس. يُفقد جزء من شحنة الهواء الداخلة عبر منفذ العادم المفتوح لضمان إخراج جميع غازات العادم من الأسطوانة، وهي عملية تُعرف باسم "التنظيف" . يصل المكبس بعد ذلك إلى أسفل شوطه ويبدأ بالصعود مجدداً، ساحباً معه شحنة جديدة من الهواء إلى علبة المرافق، مُكملاً بذلك الدورة. تتم عمليتا السحب والضغط في الشوط الصاعد، بينما تحدث عمليتا الاحتراق والعادم في الشوط الهابط.

يجب تزويد علبة المرافق بزيت التشحيم لتزييت محامل عمود المرفق . ولأن علبة المرافق تُستخدم أيضًا لتزويد المحرك بالهواء، ينتقل زيت التشحيم إلى الأسطوانة مع الهواء، ويحترق أثناء الاحتراق، ثم يخرج مع غازات العادم. ويُستخدم الزيت المنتقل من علبة المرافق إلى الأسطوانة لتزييت المكبس . هذا يعني أن محرك المصباح الساخن ثنائي الأشواط سيستهلك زيت التشحيم تدريجيًا، وهو تصميم يُعرف بنظام التشحيم الكلي الفقد . كما وُجدت تصاميم أخرى تستخدم مضخة شفط أو ما شابهها لإزالة الزيت من علبة المرافق وإعادته إلى خزان زيت التشحيم. وقد تميزت جرارات لانز ذات المصباح الساخن، والعديد من الجرارات المشابهة لها، بهذه الميزة، مما قلل استهلاك الزيت بشكل ملحوظ.

بالإضافة إلى ذلك، في حال وجود كمية زائدة من زيت علبة المرافق عند بدء التشغيل، فهناك خطر من بدء تشغيل المحرك وتسارعه بشكل غير متحكم به إلى ما يتجاوز بكثير حدود سرعة الأجزاء الدوارة والمتحركة. قد يؤدي ذلك إلى تلف المحرك. عادةً ما يوجد صمام أو صنبور يسمح بتصريف زيت علبة المرافق قبل بدء التشغيل.

إن غياب الصمامات ودورة التشغيل المزدوجة يعنيان أن محرك المصباح الساخن ثنائي الأشواط يعمل بكفاءة متساوية في كلا الاتجاهين. وتتمثل إحدى تقنيات التشغيل الشائعة للمحركات الصغيرة ثنائية الأشواط في تدوير المحرك عكس اتجاه الدوران الطبيعي. سيرتد المكبس بقوة كافية بعد مرحلة الضغط لتدوير المحرك في الاتجاه الصحيح وبدء تشغيله. كان هذا التشغيل ثنائي الاتجاه ميزة في التطبيقات البحرية، حيث كان بإمكان المحرك، مثل محرك البخار ، دفع السفينة للأمام أو للخلف دون الحاجة إلى علبة تروس . ويمكن عكس الاتجاه إما بإيقاف المحرك وإعادة تشغيله في الاتجاه الآخر، أو، بمهارة وتوقيت مناسبين من جانب المشغل، بإبطاء المحرك حتى يكتسب زخمًا كافيًا للارتداد عن مرحلة الضغط والدوران في الاتجاه المعاكس. نظرًا لأن حقن الوقود يحدث قبل الضغط، ولأن الاحتراق لا يرتبط مباشرةً بنقطة محددة في دوران المحرك (كما هو الحال مع الحقن/الاحتراق في محركات الديزل أو الإشعال/الاحتراق في محركات الإشعال بالشرارة)، فمن الممكن أيضًا ضبط نظام الوقود في محرك ذي لمبة ساخنة ثنائي الأشواط بحيث يحدث الاحتراق قبل وصول المكبس إلى النقطة الميتة العليا مباشرةً ، مما يؤدي إلى عكس اتجاه دوران المحرك حتى يقترب المكبس من النقطة الميتة العليا مرة أخرى، وعندها يحدث الاحتراق وينعكس اتجاه الدوران مجددًا . يمكن للمحرك أن يعمل بهذه الطريقة إلى أجل غير مسمى دون إكمال دورة كاملة لعمود المرفق. يتميز محرك اللمبة الساخنة عن غيره من محركات الاحتراق الداخلي بقدرته على العمل بسرعة دوران صفرية. وقد كانت هذه أيضًا ميزة جذابة للمحرك للاستخدام البحري، حيث يمكن تركه يعمل دون توليد قوة دفع مؤثرة، مما يغني عن الحاجة إلى إيقاف تشغيل المحرك وإجراء عملية التشغيل المطولة لاحقًا. 

كانت قدرة المحرك على الدوران في كلا الاتجاهين عيبًا في الجرارات التي تعمل بمصابيح كهربائية مزودة بعلب تروس. فعند سرعات منخفضة جدًا، كان المحرك يعكس اتجاه دورانه دون أي تغيير يُذكر في الصوت أو جودة التشغيل، ودون أن يلاحظ السائق ذلك إلا عندما يسير الجرار في الاتجاه المعاكس للاتجاه المقصود. وقد زُوّدت جرارات لانز بولدوج بمؤشر يُدار ميكانيكيًا بواسطة المحرك، يُظهر سهمًا دوارًا. يشير السهم إلى اتجاه دوران المحرك الطبيعي؛ فإذا دار المؤشر في الاتجاه المعاكس، يكون المحرك قد عكس اتجاه دورانه.

المزايا

عند اختراع محرك المصباح الساخن، تمثلت أبرز مزاياه في كفاءته وبساطته وسهولة تشغيله مقارنةً بمحرك البخار ، الذي كان آنذاك المصدر الرئيسي للطاقة في الصناعة. وقد حققت محركات البخار عديمة المكثف كفاءة حرارية متوسطة (نسبة الحرارة المتولدة التي تُحوّل فعليًا إلى شغل مفيد) تبلغ حوالي 6%. [ 9 ] بينما استطاعت محركات المصباح الساخن بسهولة تحقيق كفاءة حرارية تصل إلى 12%.

من عشرينيات القرن العشرين إلى خمسينيات القرن العشرين، كانت محركات المصباح الساخن أكثر اقتصادية في التصنيع بفضل حقن الوقود الخام منخفض الضغط، وكان لديها نسبة ضغط أقل من محركات الاشتعال بالضغط التي تعمل بالديزل.

يُعدّ محرك المصباح الساخن أبسط بكثير في التصميم والتشغيل من محرك البخار. تتطلب الغلايات وجود شخص واحد على الأقل لإضافة الماء والوقود حسب الحاجة، ومراقبة الضغط لمنع فرط الضغط وما يتبعه من انفجار. أما محرك المصباح الساخن، فيُمكن تشغيله دون مراقبة لساعات متواصلة إذا زُوّد بأنظمة تزييت أوتوماتيكية ومنظم سرعة.

كانت السلامة من أهم مميزاتها. فالمحرك البخاري، بما يحتويه من نار مكشوفة وغلاية ساخنة وأنابيب بخار وأسطوانة تشغيل، لا يمكن استخدامه في بيئات قابلة للاشتعال، مثل مصانع الذخيرة أو مصافي الوقود. كما أن محركات المصباح الساخن تنتج عوادم أنظف. كان الخطر الأكبر في المحرك البخاري هو احتمال حدوث انفجار شديد الخطورة إذا ارتفع ضغط الغلاية بشكل كبير وتعطل صمام الأمان، على الرغم من أن هذا كان نادر الحدوث نسبيًا عند اختراع محرك المصباح الساخن. أما المشكلة الأكثر شيوعًا فكانت أنه إذا انخفض مستوى الماء في غلاية المحرك البخاري بشكل كبير، فإن سدادة الرصاص في أعلى الفرن ستنصهر، مما يؤدي إلى إخماد النار. في محرك المصباح الساخن، إذا نفد الوقود، فإنه يتوقف ببساطة ويمكن إعادة تشغيله فورًا بمزيد من الوقود. عادةً ما يكون نظام التبريد المائي مغلق الدائرة، لذا لا يحدث أي فقدان للماء إلا في حالة وجود تسريب. إذا انخفض مستوى ماء التبريد، فإن المحرك سيتوقف عن العمل بسبب ارتفاع درجة الحرارة  - وهي مشكلة كبيرة، لكنها لا تنطوي على خطر الانفجار. بعض المحركات، بما في ذلك تلك المستخدمة في جرارات لانز بولدوج ، كانت مزودة بقابس منصهر في الجزء الساخن من المحرك. إذا ارتفعت درجة حرارة المحرك بشكل مفرط، فإن هذا القابس ينصهر، مما يمنع الضغط والاحتراق ويوقف المحرك قبل حدوث أضرار جسيمة - وهي ميزة مرغوبة للغاية في المحركات التي تعمل دون مراقبة.

بالمقارنة مع محركات البخار والبنزين (دورة أوتو) ومحركات الاحتراق بالضغط (دورة الديزل)، فإن محركات المصباح الساخن أبسط، وبالتالي فهي أقل عرضة للمشاكل. فهي لا تحتوي على نظام كهربائي كما هو الحال في محركات البنزين، ولا على غلاية خارجية ونظام بخار كما هو الحال في محركات البخار.

يمكن لمحرك المصباح الساخن أن يعمل بمجموعة واسعة من أنواع الوقود، ويعود ذلك إلى طريقة الاحتراق. فعلى عكس المحركات التي تعمل وفق مبدأ أوتو أو ديزل، يعتمد محرك المصباح الساخن على تبخير الوقود واشتعال المصباح الساخن بدلاً من الاشتعال بالضغط. وهذا يعني أنه يمكن استخدام حتى أنواع الوقود ضعيفة الاحتراق في محرك المصباح الساخن. [ 10 ]

بسبب طول فترة التسخين المسبق، كانت محركات البصيلة الساخنة تبدأ عادةً بسهولة، حتى في ظروف البرد القارس. وهذا ما جعلها خيارًا شائعًا في المناطق الباردة، مثل كندا والدول الاسكندنافية ، حيث لم تكن محركات البخار مجدية، ولم يكن من الممكن الاعتماد على محركات البنزين والديزل القديمة. مع ذلك، فإن هذا يجعلها غير مناسبة للاستخدام لفترات تشغيل قصيرة، خاصةً في السيارات.

الاستخدامات

جرار لانز بولدوج موديل 1939 ، وهو جرار مبني حول محرك المصباح الساخن
بوليندر-مونكتيل BM-10 بمحرك ذي أسطوانتين يعمل بتقنية المصباح الساخن، تم إنتاجه في الفترة من 1947 إلى 1952
هورنسبي-أكرويد لاشيسيس ، قاطرة تعمل بمحرك ذي مصباح ساخن

إن موثوقية محركات المصباح الساخن، وقدرتها على العمل بأنواع وقود متعددة، وإمكانية تشغيلها لساعات أو أيام متواصلة، جعلتها تحظى بشعبية كبيرة لدى المستخدمين في القطاعات الزراعية والحرجية والبحرية، حيث استُخدمت في ضخ المياه وتشغيل آلات الطحن والنشر والدراس. كما استُخدمت محركات المصباح الساخن في دحاسات الطرق والجرارات .

استخدمت شركة JV Svenssons Motorfabrik ، في أوغوستندال بستوكهولم ، السويد ، محركات ذات محامل ساخنة في محراثها الآلي من طراز Typ 1 ، الذي أنتجته من عام 1912 إلى عام 1925. وأنتجت شركة Munktells Mekaniska Verkstads AB ، في إسكيلستونا ، السويد ، جرارات زراعية مزودة بمحركات ذات محامل ساخنة ابتداءً من عام 1913. وبدأت شركة Heinrich Lanz AG ، في مانهايم ، ألمانيا ، باستخدام هذه المحركات عام 1921، في جرار Lanz HL . ومن بين مصنعي الجرارات المعروفين الآخرين الذين استخدموا هذه المحركات: Bubba و Gambino و Landini و Orsi في إيطاليا ، و HSCS في المجر ، و SFV في فرنسا ، و Ursus في بولندا (التي أنتجت جرار Ursus C-45 ، وهو نسخة طبق الأصل من جرار Lanz Bulldog D 9506 لعام 1934 ، بعد الحرب العالمية الثانية).

جرار لانز بولدوج موديل 1928. المصباح الساخن موجود مباشرة فوق المحور الأمامي، مثبت على الجزء الأمامي من كتلة الأسطوانات.

في مطلع القرن العشرين، كان هناك مئات من الشركات الأوروبية المصنعة لمحركات الاحتراق الداخلي للاستخدام البحري. في السويد وحدها، كان هناك أكثر من 70 شركة مصنعة، أشهرها شركة بوليندر ؛ وفي عشرينيات القرن الماضي، استحوذت على حوالي 80% من السوق العالمية. كان محرك ساب النرويجي من محركات الاحتراق الداخلي الشائعة جدًا في قوارب الصيد الصغيرة، ولا يزال العديد منها يعمل حتى اليوم. أنتج مصنع ويشمان في روبيستادنيسيت محركات احتراق داخلي ثنائية الأشواط رباعية الأسطوانات، والتي لاقت رواجًا في العديد من خدمات العبّارات في المضايق البحرية النرويجية الغربية. كانت هذه المحركات موصولة بنظام مروحة قابلة للتحكم في زاوية ميلها، وكان يتم تزويدها بالوقود عن طريق زيادة سرعة دورانها بشكل شبه ثابت لزيادة الطاقة. كانت هذه المحركات تُسخّن بواسطة مشاعل متوهجة موصولة بأسطوانات هواء مضغوط، مما يغني عن استخدام المشاعل المتوهجة. وكان يتم الحصول على الهواء المضغوط، الذي يبلغ حوالي 12-14 كجم/سم³، عن طريق تصريف بعض غازات الاحتراق بالقرب من أعلى موضع للمكبس. كانت هذه المحركات تُشغَّل بتطبيق هواء مضغوط على اثنين من الأسطوانات الأربع. في أمريكا، قامت شركات ستاندرد، ويبر، ريد، ستيكني، أويل سيتي، وفيربانكس مورس بتصنيع محركات المصباح الساخن.

محرك ذو أسطوانتين عموديتين يعمل بتقنية المصباح الساخن، بقوة 70 حصانًا. تبلغ السرعة القصوى لهذا المحرك 325 دورة في الدقيقة .

كان من عيوب تصميم المحرك أنه لا يعمل إلا ضمن نطاق سرعة ضيق (ومنخفض)، يتراوح عادةً بين 50 و300 دورة في الدقيقة . وقد صعّب هذا الأمر استخدام محرك المصباح الساخن في السيارات، باستثناء مركبات مثل الجرارات، حيث لا تُعدّ السرعة شرطًا أساسيًا. لم يكن لهذا القيد تأثير يُذكر على التطبيقات الثابتة، حيث كان محرك المصباح الساخن شائعًا جدًا. 

نظراً لطول فترة التسخين المسبق، لم تلقَ محركات المصباح الساخن رواجاً إلا لدى المستخدمين الذين يحتاجون إلى تشغيل المحركات لفترات طويلة، حيث لا تمثل عملية التسخين المسبق سوى نسبة ضئيلة من إجمالي فترة التشغيل. وشمل ذلك الاستخدام البحري  - وخاصة في قوارب الصيد  - ومهام الضخ أو الصرف.

تم اختراع محرك المصباح الساخن في نفس الوقت الذي تم فيه تطوير الدينامو وأنظمة الإضاءة الكهربائية ، وكان توليد الكهرباء أحد الاستخدامات الرئيسية لهذا المحرك. كان بإمكان هذا المحرك تحقيق سرعة دوران أعلى من محرك البخار الترددي القياسي، على الرغم من تطوير محركات بخارية عالية السرعة خلال تسعينيات القرن التاسع عشر. كما أن انخفاض متطلبات الوقود والصيانة، بما في ذلك إمكانية تشغيله وصيانته بواسطة شخص واحد فقط، جعله مثاليًا لتوليد الطاقة على نطاق صغير. تم تركيب مجموعات مولدات تعمل بمحركات المصباح الساخن في العديد من المنازل الكبيرة في أوروبا ، وخاصة في المناطق الريفية، بالإضافة إلى المصانع والمسارح والمنارات ومحطات الإذاعة والعديد من المواقع الأخرى التي لم تكن تتوفر فيها شبكة كهربائية مركزية. عادةً، كان يتم تشغيل الدينامو أو المولد الكهربائي بواسطة دولاب الموازنة للمحرك عن طريق سير مسطح، مما يسمح بزيادة السرعة اللازمة - مما يجعل المولد يدور بسرعة أكبر من المحرك. قامت شركات مثل أرمسترونج ويتوورث وبولتون بول بتصنيع وتوريد مجموعات توليد كاملة، تشمل المحرك والمولد، من القرن العشرين وحتى أواخر عشرينيات القرن العشرين، عندما تسبب تشكيل أنظمة الشبكات الوطنية في جميع أنحاء العالم واستبدال محرك المصباح الساخن بمحرك الديزل في انخفاض الطلب. 

استُخدمت هذه المحركات أيضًا في مناطق كان فيها خطر نشوب حريق من محرك بخاري غير مقبول. طوّر أكرويد-ستيوارت أول قاطرة في العالم تعمل بمحرك زيت ذي لمبة ساخنة، وهي قاطرة لاشيسيس ، لصالح الترسانة الملكية في وولويتش ، حيث كان استخدام القاطرات مستحيلاً سابقًا بسبب المخاطر. لاقت محركات اللمبة الساخنة رواجًا كبيرًا في المحركات الصناعية في أوائل القرن العشرين، لكنها افتقرت إلى القوة اللازمة لاستخدامها في مشاريع أكبر.

الاستبدال

محرك غاردنر 4T5 رباعي الأسطوانات ذو المصباح الساخن معروض في متحف أنسون للمحركات، ستوكبورت، المملكة المتحدة

منذ حوالي عام 1910، شهد محرك الديزل تحسينات جذرية، حيث أصبح يوفر طاقة أكبر بكفاءة أعلى مما كان يقدمه محرك الاحتراق التقليدي. يمكن لمحركات الديزل أن تصل كفاءتها إلى أكثر من 50% عند تصميمها مع مراعاة الاقتصاد الأمثل في استهلاك الوقود، كما أنها توفر طاقة أكبر لحجم محرك معين بفضل طريقة الاحتراق الأكثر كفاءة. لم تكن هذه المحركات مزودة ببصيلة احتراق، إذ تعتمد كلياً على الاشتعال بالضغط، كما أنها تتميز بسهولة استخدامها، حيث لا تتطلب تسخيناً مسبقاً.

كان محرك المصباح الساخن محدودًا من حيث السرعة ونسبة القدرة إلى الحجم. فلو صُمم محرك المصباح الساخن لتشغيل سفينة أو قاطرة، لكان حجمه ووزنه هائلين. بلغت سعة محركات المصباح الساخن المستخدمة في جرارات لانديني 20 لترًا، مع قدرة منخفضة نسبيًا. كان العامل الرئيسي المحدد لقدرة وسرعة محرك المصباح الساخن هو طريقة احتراقه. في محرك الديزل، يُتحكم في الاحتراق عن طريق حقن الوقود في الهواء المضغوط؛ وبما أنه لا يمكن أن يحدث احتراق قبل حقن الوقود، يمكن التحكم بدقة في توقيت ومدة الاحتراق. أما في محرك المصباح الساخن، فيُحقن الوقود في الأسطوانة قبل بدء الضغط، ويبدأ الاحتراق عندما يلتقي الهواء المضغوط بالوقود المتبخر في المصباح الساخن أثناء شوط الضغط. هذا يعني صعوبة التحكم في الاحتراق بدقة. إذ تشتعل أجزاء من شحنة الوقود في المصباح الساخن في أوقات مختلفة، غالبًا قبل أن يُكمل المكبس شوط الضغط. هذا يُشابه الاشتعال المُبكر في محرك الاحتراق الداخلي التقليدي، ويؤدي إلى قوى غير متساوية وإجهادات حرارية وفيزيائية عالية على الأجزاء الداخلية للمحرك، وخاصة المكبس. في محرك المصباح الساخن، لم يكن بالإمكان التغلب على هذه المشكلة إلا بالحفاظ على سرعات المحرك منخفضة، وكمية الوقود المحقونة في كل دورة صغيرة، ومكونات المحرك ذات بنية متينة للغاية. نتج عن ذلك محرك متين للغاية، ولكنه كان أيضًا كبيرًا وثقيلًا، مع إنتاج طاقة منخفضة نسبيًا. أضافت أفكار مثل حقن الماء (للحد من الاشتعال المُبكر) ومحرك الأنبوب الساخن (الذي يسمح بتغيير حجم المُبخر مع سرعة المحرك، وبالتالي تغيير نسبة الانضغاط الإجمالية) تعقيدًا وتكلفة، ومع ذلك لم تتمكن من توفير نسب طاقة إلى وزن تُضاهي تلك التي يُوفرها محرك الديزل سريع التطور .

يصعب تحقيق احتراق متجانس في جميع أجزاء محركات الاحتراق الداخلي متعددة الأسطوانات. كما أن انخفاض نسبة الانضغاط في هذه المحركات، مقارنةً بمحركات الديزل، حدّ من كفاءتها وقدرتها وسرعتها. كانت معظم محركات الاحتراق الداخلي تعمل بسرعة قصوى تبلغ حوالي 100  دورة في الدقيقة، بينما في ثلاثينيات القرن العشرين، بدأ تصنيع محركات ديزل عالية السرعة قادرة على العمل بسرعة 2000  دورة في الدقيقة. إضافةً إلى ذلك، ونظرًا لتصميم أجزاء الاحتراق الداخلي وقيود التكنولوجيا الحالية فيما يتعلق بنظام الحقن، كانت معظم هذه المحركات أحادية السرعة، تعمل بسرعة ثابتة أو ضمن نطاق سرعة ضيق جدًا. في المقابل، يمكن تصميم محركات الديزل للعمل ضمن نطاق سرعة أوسع بكثير، مما يجعلها أكثر تنوعًا. وقد جعل هذا محركات الديزل متوسطة الحجم خيارًا شائعًا جدًا للاستخدام في مجموعات المولدات، لتحل محل محركات الاحتراق الداخلي كخيار مفضل لتوليد الطاقة على نطاق صغير.

أدى تطوير محركات الديزل صغيرة السعة وعالية السرعة في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين إلى تراجع استخدام محركات البصيلات الساخنة بشكل كبير. توقف آخر مصنع كبير لمحركات البصيلات الساخنة عن إنتاجها في خمسينيات القرن العشرين، وهي الآن شبه منقرضة في الاستخدام التجاري، باستثناء مناطق نائية جدًا في العالم النامي. ويُستثنى من ذلك الاستخدام البحري؛ فقد كانت محركات البصيلات الساخنة تُستخدم على نطاق واسع في البوارج النهرية والقوارب الضيقة في أوروبا. وكان أول قاربين نهريين بمحركات ذاتية الدفع في المملكة المتحدة - وهما كادبوري بورنفيل 1 وبورنفيل 2 في  عام 1911 [ 11 ] - يعملان بمحركات بوليندر أحادية الأسطوانة ذات البصيلات الساخنة بقوة 15 حصانًا [ 11 ] ، وأصبح هذا النوع شائعًا بين عشرينيات وخمسينيات القرن العشرين. ونظرًا لأن محركات البصيلات الساخنة تتميز عمومًا بطول عمرها وملاءمتها المثالية لهذا الاستخدام، فليس من النادر العثور على سفن لا تزال مزودة بمحركاتها الأصلية حتى اليوم. 

على الرغم من شيوع الاعتقاد الخاطئ بأن محركات شمعات التسخين النموذجية هي نوع من محركات المصباح الساخن، إلا أن هذا غير صحيح. محركات شمعات التسخين النموذجية هي محركات إشعال تحفيزي. وتعتمد هذه المحركات على تفاعل البلاتين الموجود في ملف شمعة التسخين مع بخار الميثانول، حيث يتوهج البلاتين عند ملامسته للبخار في درجات حرارة وضغوط معينة.

تطوير وقود الديزل الزائف ذي المصباح الساخن

1890-1910

غالباً ما يتم الخلط بين محرك المصباح الساخن ومحرك الديزل، ويعود ذلك أساساً إلى أن محركات المصباح الساخن غالباً ما تعمل بوقود الديزل، ولأن المصباح الساخن لا يُعرف على الفور كجهاز إشعال. [ 12 ]

يُعيد محرك المصباح الساخن استخدام الحرارة المُخزّنة في المُبخّر لإشعال الوقود، مُحققًا كفاءة تُقارب 12%. [ 12 ] أما محرك الديزل، فيعتمد على الضغط فقط لإشعال الوقود. ويعمل بضغوط أعلى بكثير من محرك المصباح الساخن، مما يُؤدي إلى كفاءة تتجاوز 50% في محركات الديزل الكبيرة. يُمكن لمحرك الديزل أن يبدأ التشغيل - حتى بدون تسخين مُسبق - إذا توفرت طاقة ضغط كافية. لا يُمكن لمحرك المصباح الساخن القيام بذلك لأنه يعتمد على إشعال المصباح الساخن وليس إشعال الضغط.

يوجد أيضًا فرق جوهري في توقيت عملية حقن الوقود: في محرك المصباح الساخن، يُحقن الوقود في المبخر أثناء شوط السحب . [ 2 ] [ 13 ] أما في محرك الديزل، فيُحقن الوقود في غرفة الاحتراق في نهاية شوط الضغط ، قبل الوصول إلى النقطة الميتة العليا بقليل. علاوة على ذلك، لا يتطلب محرك المصباح الساخن حقن وقود دقيقًا أو عالي الضغط. لذا، يستخدم هذا المحرك مضخة متوسطة الضغط لتوصيل الوقود إلى الأسطوانة عبر فوهة بسيطة. بينما تتطلب محركات الديزل أنظمة حقن وقود متطورة.

في هذه الفترة كانت محركات الديزل ومحركات المصباح الساخن رباعية الأشواط . [ 13 ] في عام 1902، اخترع ف. راندلوف محركًا ثنائي الأشواط يعمل بنظام تنظيف علبة المرافق والذي أصبح فيما بعد المحرك السائد من نوع المصباح الساخن.

1910–1950

لم تكن محركات الديزل الصغيرة ذات الحقن المباشر عمليةً آنذاك [ 12 ] ، فتم اختراع محرك الحقن غير المباشر ذي الحجرة المسبقة ، إلى جانب اشتراط استخدام شمعات التسخين لبدء التشغيل. [ 14 ] [ 15 ] وبفضل التقنية التي طورتها شركة روبرت بوش، أصبح بالإمكان تصميم أنظمة المضخات والحاقنات للعمل بضغط أعلى بكثير. وبالاقتران مع حاقنات عالية الدقة، بدأ إنتاج محركات الديزل عالية السرعة منذ عام 1927.

بدأت المصابيح الساخنة بالتشقق والتفتت، فاستُبدلت تدريجيًا برؤوس أسطوانات مبردة بالماء ذات بقعة ساخنة مسطحة. [ 16 ] ومع مرور الوقت، زادت نسب الانضغاط من 3:1 إلى 14:1. وبدأ حقن الوقود من 135 درجة قبل النقطة الميتة العليا مع الانضغاط المنخفض، وصولًا إلى 20 درجة قبل النقطة الميتة العليا مع محركات الانضغاط العالي اللاحقة، مما زاد من عامل الهواء الساخن [ 12 ] [ 17 ] للاشتعال، وبالتالي رفع كفاءة استهلاك الوقود . [ 12 ] وفي النهاية، حلت شمعات التسخين محل التسخين المسبق باستخدام موقد اللحام، وزادت سرعات المحرك، مما أدى إلى ما يُصنف الآن كمحرك ديزل ذي حقن غير مباشر. [ 12 ]

كانت محركات البصيلة الساخنة أو ذات الغرف المسبقة أسهل في الإنتاج دائمًا، [ 12 ] وأكثر موثوقية، ويمكنها التعامل مع كميات أقل من الوقود في محركات أصغر حجمًا من محركات الديزل "الخالصة" ذات الحقن المباشر. [ 12 ]

إنتاج

محرك دروت ذو المصباح الساخن، تم تصنيعه في متحف ورشة فيثاغورس الميكانيكية في نوررتاليا ، السويد، وفقًا للرسومات الأصلية من مصنع محركات فيثاغورس

صُنعت محركات المصباح الساخن من قبل عدد كبير من الشركات المصنعة، عادةً بكميات محدودة. كانت هذه المحركات بطيئة الدوران (300-400  دورة في الدقيقة) ومصنوعة في الغالب من أجزاء من الحديد الزهر، بما في ذلك المكابس. أما مضخة الوقود فكانت تُصنع عادةً بغلاف نحاسي ومكبس فولاذي، وتعمل بشوط متغير الطول. نتج عن ذلك محرك بسيط ومتين وثقيل الوزن.

لذلك، يمكن تصنيعها في ورشة ميكانيكية عادية دون الحاجة إلى أدوات خاصة. [ 18 ] [ 19 ] حتى ورش الحدادة الصغيرة ، وأحواض بناء السفن ، ومتاجر الحديد، وورش الميكانيكا التي تمتلك الأدوات والمهارات التقليدية، يمكنها صنع محركات المصباح الساخن. ويمكن إكمال هذه المحركات من قطع مصبوبة غير مكتملة تم شراؤها، أو من مخططات هندسية متوفرة ، أو من نسخة مرخصة (أو غالبًا غير مرخصة) لمحرك مصنعي، أو من تصميم ورشة أو فرد خاص به على تصميم مرجعي - غالبًا ما يجمع بين ميزات من عدة مصنعين مختلفين أو تصميم أصلي بالكامل على تصميم المصباح الساخن الأساسي.

بينما كان لا بد من شراء محركات الإشعال بالشرارة ومحركات الديزل من مصنّعين متخصصين في أغلب الأحيان، كان محرك المصباح الساخن بسيطًا واقتصاديًا بما يكفي لإنتاجه، ما مكّن أحواض بناء السفن، ومصنّعي المعدات الزراعية، ومهندسي تركيب الآلات، والشركات المماثلة من تصميم وبناء وتركيب محركاتهم الخاصة على منتجاتهم. وقد كان هذا الأمر بالغ الأهمية في مناطق العالم التي كان فيها نقل محرك من مصنّع متخصص عبر مسافات طويلة أو تضاريس وعرة أمرًا غير عملي ومكلفًا، حيث لم يكن مطلوبًا سوى محرك بسيط نسبيًا ومنخفض القدرة.

أدى ذلك إلى ظهور عدد كبير من مصنعي محركات "هوت بليم"، الذين لم يلتزم سوى القليل منهم بتصميم قياسي معترف به أو بإنتاج متسلسل وبأعداد قليلة. وقامت ورش محركات محلية أخرى بإنتاج تصاميم "هوت بليم" إما مرخصة أو مستنسخة أو مستوحاة من تصاميم مصنعين معروفين، وذلك حسب متطلبات كل عميل على حدة.

يتم الاحتفاظ بمصنع محركات فيثاغورس في نوررتاليا في السويد كمتحف ( متحف ورشة فيثاغورس الميكانيكية ) ويحتوي على خط إنتاج يعمل وأرشيفات مصنع واسعة النطاق.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 "صانعو محركات السفن ذات المصابيح الساخنة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 10-10-2010 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 04-12-2008 .
  2. 1 2 هربرت أكرويد ستيوارت، تحسينات في المحركات التي تعمل بانفجار مخاليط من البخار أو الغاز القابل للاحتراق والهواء ، براءة اختراع بريطانية رقم 7146، مايو 1890
  3. لانس داي، إيان ماكنيل، "قاموس سيرة ذاتية لتاريخ التكنولوجيا" (1996)، ص 681
  4. رانسوم-واليس، ب. (2001) [1959]. الموسوعة المصورة لقاطرات السكك الحديدية العالمية . منشورات دوفر، ص 27. ISBN  0-486-41247-4.
  5. براءة اختراع أمريكية رقم 502837 محرك يعمل بانفجار مخاليط من الغاز أو بخار الهيدروكربون والهواء، مؤرخة في 8 أغسطس 1893. السطر 45.
  6. رانغهام، د.أ. (1956). نظرية وتطبيق المحركات الحرارية . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 664. 
  7. روبنسون، ويليام (1931). محركات الزيت الثقيل من نوع أكرويد: تطويرات لمحركات الزيت ذات الاحتراق بالضغط، بما في ذلك التطبيقات الحديثة للأغراض البرية، ودفع السفن والمنطاد، وجر السكك الحديدية . بلاكي وأولاده المحدودة، ص 136. 
  8. ماكنيل، إيان (1990). موسوعة تاريخ التكنولوجيا . تايلور وفرانسيس. ص 310-311 . ISBN  0-415-01306-2.
  9. جيفالون (10 يناير 2011). "ما مدى كفاءة محرك البخار؟" . Trains.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 أبريل 2017 .
  10. ^ بوسيان، ريتشارد (محرر) (2020). Automobiltechnisches Handbuch: النطاق 2 (إعادة الطباعة) (باللغة الألمانية). برلين بوسطن: دي جرويتر. ص. 746. ردمك  978-3-11-230219-4.{{cite book}}له |first=اسم عام ( مساعدة )
  11. 1 2 فولكنر، آلان هـ. (1981). سيفرن وكانال وكادبوري . روبرت ويلسون. ISBN 0-907381-02-2.
  12. 1 2 3 4 5 6 7 8 "Von Glühkopf-, Halbdiesel-und Volldieselmoten ("من محركات اللمبة الساخنة وشبه الديزل ومحركات الديزل الكاملة")" (PDF) (باللغة الألمانية). مؤرشفة من الأصلي (PDF) بتاريخ 25-02-2009 . تم الاسترجاع 2008-11-09 .
  13. 1 2 "براءة اختراع أمريكية رقم 845140: محرك احتراق داخلي" . 26-02-1907. السطر 65.
  14. "WO1996034189. محرك احتراق داخلي يتضمن غرفة تبخير الوقود" . Patentscope . تم الاطلاع عليه في 6 يونيو 2025 .تم تصور أن عناصر التسخين 38 ستكون مطلوبة فقط عند بدء تشغيل المحرك.
  15. ^ “Pioniere der Zeit 100 Jahre DaimlerChrysler-Werk Untertürkheim” (في المانيا).
  16. الشكل 8 والصور
  17. قانون الغازات الموحد :صVتي=ك{\displaystyle \qquad {\frac {pV}{T}}=k}
  18. الشكل من 1 إلى 7.
  19. لانز بولدوغ

براءات الاختراع