محرك ذو مكابس متقابلة

محرك سيمبسون ثنائي الأشواط متوازن من عام 1914

محرك المكابس المتقابلة هو محرك مكبسي يحتوي كل أسطوانة فيه على مكبس في كلا الطرفين، ولا يحتوي على رأس أسطوانة . تُستخدم محركات المكابس المتقابلة التي تعمل بالبنزين والديزل في الغالب في التطبيقات الكبيرة مثل السفن والدبابات العسكرية والمصانع. ومن بين الشركات المصنعة الحالية لمحركات المكابس المتقابلة: كومينز ، وأتشاتس باور ، وفيربانكس-مورس ديفنس (FMDefense) .

تصميم

رسم تخطيطي لمحرك ذي مكابس متقابلة مزود بشاحن توربيني : 1. مدخل خليط الوقود والهواء 2. الشاحن التوربيني 3. صندوق الهواء 4. صمام تخفيف الضغط 5. عمود المرفق 6. آلية عمود المرفق 7. أسطوانة مزودة بفتحات دخول وخروج 8. العادم 9. غلاف تبريد مائي 10. شمعة الإشعال

بالمقارنة مع محركات الشوطين المعاصرة ، التي تستخدم تصميمًا تقليديًا بمكبس واحد لكل أسطوانة، فإن مزايا محرك المكبس المتقابل هي:

كان العيب الرئيسي هو ضرورة ربط المكبسين المتقابلين معًا بواسطة تروس. وقد أدى ذلك إلى زيادة الوزن والتعقيد مقارنةً بمحركات المكابس التقليدية، التي تستخدم عمود مرفق واحد كمصدر للطاقة.

كان التصميم الأكثر شيوعًا هو عمودا مرفق، متصلان معًا بواسطة تروس (إما في نفس الاتجاه أو في اتجاهين متعاكسين). [ 6 ] استخدمت محركات كوريفو، وجومو، ونابير ديلتيك مكبسًا واحدًا لكل أسطوانة لكشف منفذ السحب، والآخر لكشف منفذ العادم. يُشار إلى كل مكبس إما بمكبس السحب أو مكبس العادم، حسب وظيفته في هذا الصدد. يوفر هذا التصميم كفاءة عالية في عملية طرد الغازات، حيث يكون تدفق الغاز عبر الأسطوانة محوريًا وليس قطريًا، كما يُبسط تصميم رؤوس المكابس. في محرك جومو 205 ومشتقاته، يخدم عمود المرفق العلوي مكابس العادم، بينما يخدم عمود المرفق السفلي مكابس السحب. في التصاميم التي تستخدم عدة صفوف من الأسطوانات، يخدم كل محمل طرفي كبير مكبس سحب واحد ومكبس عادم واحد، باستخدام ذراع توصيل متشعب لمكبس العادم.

تاريخ

من ثمانينيات القرن التاسع عشر إلى ثلاثينيات القرن العشرين

رسم متحرك لمحرك أتكينسون التفاضلي
محرك طائرة ديزل يونكرز جومو 205 موديل 1932

كان محرك أتكينسون التفاضلي لعام 1882 أحد أوائل المحركات ذات المكابس المتقابلة ، [ 7 ] والذي يتميز بشوط قدرة في كل دورة لعمود المرفق (مقارنة بكل دورة ثانية لمحرك دورة أوتو المعاصر )، ولكنه لم يحقق نجاحًا تجاريًا. [ 8 ]

في عام 1898، تم تركيب محرك أوشلهاوزر ثنائي الأشواط ذو مكابس متقابلة بقوة 600 حصان (447 كيلوواط) في مصنع هورده للحديد. [ 9 ] كما تم إنتاج هذا التصميم من المحركات بموجب ترخيص من قبل شركات مصنعة، بما في ذلك شركة دويتشه كرافتغاز غيزيلشافت في ألمانيا وشركة ويليام بيردمور وأولاده في المملكة المتحدة. [ 10 ]  

في عام 1901، كانت محركات كانساس سيتي لايتنينج المتوازنة للغاز والبنزين محركات بنزين تنتج قوة تتراوح بين 4 و25 حصانًا (3-19 كيلوواط) . [ 11 ]  

أنتجت شركة غوبرون-بريلي الفرنسية محرك سيارة مبكرًا يعمل بنظام المكابس المتقابلة حوالي عام 1900. وفي 31 مارس 1904، [ 12 ] [ 13 ] كانت سيارة غوبرون-بريلي، المزودة بهذا المحرك، أول سيارة تتجاوز سرعتها 150  كم/ساعة، مسجلةً "رقمًا قياسيًا عالميًا" بلغ 152.54 كم/ساعة (95 ميلًا/ساعة) . [ 14 ] وفي 17 يوليو 1904، أصبحت سيارة غوبرون-بريلي أول سيارة تتجاوز سرعتها 100 ميل/ساعة (161 كم/ساعة) في سباق الكيلومتر الطائر. [ 15 ] استخدم المحرك عمود مرفق واحد في أحد طرفي الأسطوانات ورأسًا متقاطعًا للمكبس المقابل.    

كان محرك سيارة أرول-جونستون الاسكتلندي ، الذي يبدو أنه رُكّب لأول مرة في سيارتهم ذات العشرة  أحصنة حوالي عام 1900، محركًا آخر من محركات السيارات ذات المكابس المتقابلة. وقد وُصف المحرك ووُضّح برسومات توضيحية مفصلة في وصف سيارتهم ذات الاثني عشر إلى خمسة عشر  حصانًا التي عُرضت في معرض أولمبيا للسيارات عام 1905. [ 16 ] [ 17 ] كان المحرك رباعي الأشواط، يتكون من أسطوانتين (بمكابس متقابلة في كل منهما)، مع وجود عمود المرفق أسفله، والمكابس متصلة بعمود المرفق ثنائي الشوط بواسطة أذرع رافعة.

كان أول محرك ديزل بمكابس متقابلة نموذجًا أوليًا بُني في مصنع كولومنا للقاطرات في روسيا. حصل المصمم، ريموند أ. كوريفو، على براءة اختراع المحرك في فرنسا في 6 نوفمبر 1907، وعرضه في معارض دولية، لكنه لم يُطرح للإنتاج. اعتمد تصميم كولومنا على تخطيط نموذجي لعمودي مرفق متصلين بتروس.

في عام 1914، كان محرك سيمبسون ثنائي الأشواط المتوازن للدراجات النارية محركًا آخر بمكابس متقابلة، يستخدم عمود مرفق واحد أسفل مركز الأسطوانات، حيث يتصل المكبسان بواسطة أذرع. [ 18 ] كان هذا المحرك مصممًا لضغط علبة المرافق، حيث يُستخدم أحد المكبسين لفتح منفذ نقل الغاز، والآخر لفتح منفذ العادم. وتكمن ميزة هذا التصميم في تجنب استخدام رؤوس الانحراف للمكابس التي كانت شائعة في معظم محركات الشوطين في ذلك الوقت.

قامت شركة دوكسفورد للمحركات في المملكة المتحدة بتصنيع محركات كبيرة ذات مكابس متقابلة للاستخدام البحري، حيث تم تركيب أول محرك دوكسفورد في سفينة عام 1921. [ 19 ] استخدم هذا المحرك الذي يعمل بالديزل عمود مرفق واحد في أحد طرفي الأسطوانات ورأسًا متقاطعًا للمكبس المقابل. [ 20 ] [ 21 ] بعد الحرب العالمية الأولى، تم إنتاج هذه المحركات في عدد من الطرازات، مثل سلسلتي P وJ، بقدرات تصل إلى 20,000 حصان (14,914 كيلوواط) . توقف إنتاج محركات دوكسفورد في المملكة المتحدة عام 1980. [ 20 ] [ 22 ]  

تشمل محركات الديزل اللاحقة ذات المكابس المتقابلة محرك الطائرات يونكرز جومو 205 الذي صنع في ألمانيا عام 1932، والذي كان يحتوي على عمودين مرفقيين، ولا يستخدم تصميمًا مشابهًا لمحركات غوبرون-بريلي التي صنعت بين عامي 1900 و1922. [ 23 ]

بين عامي 1933 و1938، حصلت شركة لانشيا على ترخيص تصميم يونكرز، وطبقت تصميم المكابس المتقابلة في محركها تيبو 89 لاستخدامه في شاحنة لانشيا رو إن إم العسكرية. كان المحرك بسعة 3180 سم مكعب (194 بوصة مكعبة)، ويستخدم أربعة مكابس متقابلة أفقياً، وكان يعمل بالديزل ثنائي الأشواط. لاحقاً، أضافت لانشيا مكبسين متقابلين أفقياً إلى التصميم، لتصبح سعة المحرك 4770 سم مكعب (291 بوصة مكعبة)، وأُطلق عليه اسم تيبو 90 لتشغيل شاحنة لانشيا رو-رو المُحدثة. بعد استبدال لانشيا رو بسيارة لانشيا 3Ro في عام 1939، تحولت الشركة إلى محرك ديزل أكثر تقليدية بخمس أسطوانات متتالية؛ وهو أول محرك ديزل بخمس أسطوانات متتالية يُستخدم في السيارات.

من أربعينيات القرن العشرين وحتى الآن

استُخدم محرك الديزل فيربانكس مورس 38 8-1/8 ، الذي صُمم في ألمانيا في ثلاثينيات القرن العشرين، في الغواصات الأمريكية في أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين، وفي القوارب منذ ثلاثينيات القرن العشرين وحتى الآن. [ 24 ] ويُستخدم في القاطرات منذ عام 1944.

يحتفظ إصدار نوفمبر 2021 من قاطرة فيربانكس-مورس 38 8-1/8، وهو طراز FM 38D 8-1/8 ديزل وثنائي الوقود، بنفس التصميم شديد التحمل، ويبلغ عمره التشغيلي المقدر أكثر من 40 عامًا، ولكنه الآن قادر على حرق نوعين من الوقود (الوقود الغازي والسائل، مع تحويل تلقائي إلى الديزل بالكامل في حالة نفاد إمدادات الغاز). [ 25 ]

تتميز محركات شاحنات الديزل ثلاثية الأسطوانات من طراز Commer TS3 ، التي تم طرحها في عام 1954، بعمود مرفقي واحد أسفل مركز الأسطوانات مع اتصال كلا المكبسين بواسطة أذرع. [ 26 ]

رسم تخطيطي متحرك لنهر نابير دلتا

في عام 1954، طُرح أيضًا محرك نابير ديلتيك للقوارب العسكرية. يستخدم هذا المحرك ثلاثة أعمدة مرفقية، واحد في كل زاوية، لتشكيل ثلاث مجموعات من الأسطوانات ذات الطرفين مرتبة على شكل مثلث متساوي الأضلاع. استُخدم محرك ديلتيك في قاطرات السكك الحديدية البريطانية من الفئتين 55 و 23، ولتشغيل زوارق الدوريات السريعة وكاسحات الألغام التابعة للبحرية الملكية . ابتداءً من عام 1962، دعت شركة جيبس ​​شركة ماك تراكس للمشاركة في تصميم مضخة الإطفاء العملاقة التابعة لإدارة إطفاء مدينة نيويورك وعربة الإمداد المرافقة لها. وكُلّفت شركة دي لافال توربين بتصميم مضخة طرد مركزي متعددة المراحل مزودة بمحرك ديزل نابير-ديلتيك T18-37C لتشغيل المضخات. [ 27 ]

في عام 1959، تم طرح محرك الديزل ليلاند L60 سعة 19 لترًا (1159 بوصة مكعبة ) بست أسطوانات. تم إنتاج محرك L60 في المملكة المتحدة لاستخدامه في دبابة تشيفتين. [ 28 ]   

استخدمت دبابة T-64 السوفيتية ، التي أُنتجت بين عامي 1963 و1987، محرك ديزل ذو مكابس متقابلة، وهو محرك 5TD ، الذي طوّره مصنع مالشيف في خاركيف. بعد تفكك الاتحاد السوفيتي ، واصل مالشيف تطوير وإنتاج محركات ذات مكابس متقابلة للمركبات المدرعة، مثل محرك 3TD ثلاثي الأسطوانات المستخدم في ناقلة الجنود المدرعة BTR-4 بوتسيفال ، بالإضافة إلى العديد من التحسينات لمحرك 5TD، ومحرك 6TD سداسي الأسطوانات المستخدم في دبابات T-64BM2 و BM أوبلوت .

في عام 2014، نشرت شركة Achates Power ورقة بحثية تقنية أشارت إلى تحسن بنسبة 30% في كفاءة استهلاك الوقود عند مقارنة محركها بمحرك ديزل من الجيل التالي مزود بتقنيات متطورة. [ 28 ]

قدمت شركة فولفو طلبًا للحصول على براءة اختراع في عام 2017. [ 29 ]

محرك الديزل ديزل إير داير 100 هو محرك ديزل للطائرات ثنائي الأسطوانات بقوة 100 حصان (75 كيلوواط) ، تم تصميمه وإنتاجه بواسطة شركة ديزل إير المحدودة في أولني، باكينجهامشير، لاستخدامه في المناطيد والطائرات المصنعة منزليًا والطائرات الخفيفة . [ 30 ]  

في يوليو 2021، مُنحت شركة Cummins عقدًا بقيمة 87 مليون دولار من قبل الجيش الأمريكي لإكمال تطوير محرك القتال المتقدم (ACE)، وهو حل محرك ديزل معياري وقابل للتطوير يستخدم تقنية المكابس المتقابلة. [ 31 ]

محرك ذو مكبس حر

يُعدّ محرك المكبس الحرّ أحد أنواع محركات المكابس المتقابلة، وقد سُجّلت براءة اختراعه لأول مرة عام 1934. لا يحتوي محرك المكبس الحرّ على عمود مرفقي، وتعود المكابس إلى وضعها الأصلي بعد كل شوط احتراق عن طريق ضغط وتمدد الهواء في أسطوانة منفصلة. استُخدمت هذه المحركات في بداياتها كضاغط هواء أو كمولد غاز لتوربينات الغاز .

انظر أيضاً

مراجع

  1. بيرو، جان بيير؛ فلينت، مارتن (2010). محركات المكابس المتقابلة: التطور والاستخدام والتطبيقات المستقبلية . جمعية مهندسي السيارات الدولية . ISBN 9780768018004تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 نوفمبر 2019 .
  2. فوستر، د.؛ هيرولد، ر.؛ ليمكي، ج.؛ ريجنر، ج.؛ وال، م. (2011). "الفوائد الديناميكية الحرارية لمحركات ثنائية الأشواط ذات المكابس المتقابلة" . سلسلة أوراق SAE التقنية . المجلد 1. بنسلفانيا: SAE الدولية. doi : 10.4271/2011-01-2216 . مؤرشف من الأصل في 1 يونيو 2017. تم الاطلاع عليه في 8 يونيو 2017 . 
  3. "الشركات الناشئة تعمل على إعادة ابتكار محرك الاحتراق الداخلي" . صحيفة نيويورك تايمز . 30 مارس 2011. مؤرشف من الأصل في 9 أغسطس 2020. تم الاطلاع عليه في 29 نوفمبر 2019 .
  4. "المكبس المتقابل" . AchatesPower.com . 22 يوليو 2018. مؤرشف من الأصل في 30 نوفمبر 2019. تم الاطلاع عليه في 29 نوفمبر 2019 .
  5. "النمط : محرك المكبس الحلقي المتقابل" . YouTube.com . frankydevaere. ١٩ ديسمبر ٢٠١٠. مؤرشف من الأصل في ٢١ ديسمبر ٢٠٢١. تم الاطلاع عليه في ٢٩ نوفمبر ٢٠١٩ . 
  6. "محرك OPRE: محرك ذو مكبسين متقابلين وقضيب سحب" . Pattakon.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 نوفمبر 2019 .
  7. جينجري، فينسنت (2000). بناء محرك أتكينسون التفاضلي . دار نشر ديفيد ج. جينجري. رقم ISBN 1878087231.
  8. "نسخة طبق الأصل من محرك أتكينسون التفاضلي - محركات الغاز" . GasEngineMagazine.com . 13 مارس 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 نوفمبر 2019 .
  9. "محركات الغاز الكبيرة في القارة". مجلة بيج الأسبوعية : 1336-1337 . 23 يونيو 1905.
  10. ستوكس، جيسون دبليو بي؛ كانينغهام، جيسون (11 نوفمبر 1909). محرك أوشلهاوزر الغازي في بريطانيا العظمى: ورقة بحثية قُدِّمت أمام جمعية الهندسة بجامعة غلاسكو . شركة ويليام بيردمور وشركاه .
  11. "مصابة بصاعقة: شركة كانساس سيتي لضغط القش - محركات الغاز" . FarmCollector.com . أبريل 1999. مؤرشف من الأصل في 14 نوفمبر 2019. تم الاطلاع عليه في 26 نوفمبر 2019 .
  12. بيرغهاوس، غونتر، محرر. (2009). المستقبلية والخيال التكنولوجي . أمستردام ونيويورك: رودوبي. ص 8. ISBN  978-90-420-2747-3تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 أكتوبر 2024 عبر كتب جوجل.
  13. "أرقام قياسية عالمية في سرعة السيارات البرية" . RacingCampbells.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ 31 أغسطس 2007. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 أكتوبر 2024 .
  14. "أسبوع السيارات الرائعة: المركز الثالث، كأس هنري دي روتشيلد". مجلة السيارات : 426. 9 أبريل 1904.
  15. "تاريخ غوبرون-بريلي" . UniqueCarsAndParts.com.au . مؤرشف من الأصل بتاريخ 25 أغسطس 2013.
  16. ^ “سيارة آرول-جونستون الجديدة التي تعمل بالبنزين – الجزء الثاني”. مجلة السيارات : 1467-1469 . 25 نوفمبر 1905.
  17. ^ “سيارة البنزين أرول جونستون الجديدة – الجزء الثالث”. مجلة السيارات : 1495-1496 . 2 ديسمبر 1905.
  18. "محرك ثنائي الأشواط ذو أسطوانتين متقابلتين أفقياً". مجلة الدراجات النارية : 204. 6 أغسطس 1914.
  19. "موقع فهرس دوكسفورد" . Telenet.be . مؤرشف من الأصل في 31 أغسطس 2022. تم الاطلاع عليه في 26 نوفمبر 2019 .
  20. 1 2 "محركات بحرية - دوكسفورد" . OldEngine.org . مؤرشف من الأصل في 2 ديسمبر 2013.
  21. "PatOP: محرك ذو عمود مرفقي واحد ومكبسين متقابلين" . Pattakon.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 نوفمبر 2019 .
  22. "محركات دوكسفورد 1878-1980" . Doxford-Engine.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 24 ديسمبر 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 مارس 2006 .
  23. سيترايت، إل جيه كيه (1975). بعض المحركات غير العادية . منشورات الهندسة الميكانيكية لمؤسسة المهندسين الميكانيكيين . ISBN 9780852982082تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 نوفمبر 2019 .
  24. "محرك ديزل فيربانكس-مورس 38D8" . PSRM.org . مؤرشف من الأصل بتاريخ 26 مايو 2006.
  25. "قاطرة فيربانكس-مورس FM 38D 8-1/8 ديزل وثنائية الوقود" . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 14 نوفمبر 2021. تم الاطلاع عليها بتاريخ 14 نوفمبر 2021 .
  26. "Rootes-Lister – محرك TS3 ذو المكابس المتقابلة أفقيًا" . OldEngine.org . مؤرشف من الأصل في 25 فبراير 2008.
  27. "أعظم رجل إطفاء في العالم (إنقاذ من الحرائق 1)" . 8 يناير 2016.
  28. 1 2 "الجدول الزمني لتصميم المحرك" . AchatesPower.com . مؤرشف من الأصل في 13 مايو 2013.
  29. "محرك احتراق داخلي ثنائي الأشواط ذو مكابس متقابلة" . إسباسينت . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 نوفمبر 2019 .
  30. "كتيب ديزل إير" (بيان صحفي). أولني، باكينجهامشير، المملكة المتحدة: ديزل إير. 2002.
  31. «الجيش الأمريكي يمنح شركة كومينز عقدًا بقيمة 87 مليون دولار لتوريد محرك القتال المتطور» . كومينز .