محرك ترددي

المحرك الترددي ، والمعروف أيضًا باسم محرك المكبس ، هو محرك حراري يستخدم مكبسًا تردديًا واحدًا أو أكثر لتحويل درجات الحرارة العالية والضغط العالي إلى حركة دورانية . ^[1] تصف هذه المقالة السمات المشتركة لجميع الأنواع. الأنواع الرئيسية هي: محرك الاحتراق الداخلي ، المستخدم على نطاق واسع في المركبات الآلية ؛ المحرك البخاري ، الدعامة الأساسية للثورة الصناعية ؛ ومحرك ستيرلنغ للتطبيقات المتخصصة. يتم تصنيف محركات الاحتراق الداخلي أيضًا بطريقتين: إما محرك الاشتعال بالشرارة (SI) ، حيث تبدأ شمعة الاحتراق؛ أو محرك الاشتعال بالضغط (CI) ، حيث يتم ضغط الهواء داخل الأسطوانة، وبالتالي تسخينها ، بحيث يشعل الهواء الساخن الوقود الذي يتم حقنه في ذلك الوقت أو قبل ذلك . ^{[2] [3] [4] [5] [6]}

قد يكون هناك مكبس واحد أو أكثر. يقع كل مكبس داخل أسطوانة ، يتم إدخال غاز فيها، إما تحت ضغط بالفعل (مثل محرك البخار )، أو يتم تسخينه داخل الأسطوانة إما عن طريق اشتعال خليط الوقود والهواء ( محرك الاحتراق الداخلي ) أو عن طريق الاتصال بمبادل حراري ساخن في الأسطوانة ( محرك ستيرلنغ ). تتمدد الغازات الساخنة، مما يدفع المكبس إلى أسفل الأسطوانة. يُعرف هذا الموضع أيضًا باسم النقطة الميتة السفلية (BDC)، أو حيث يشكل المكبس أكبر حجم في الأسطوانة. يتم إرجاع المكبس إلى أعلى الأسطوانة (النقطة الميتة العلوية) (TDC) بواسطة دولاب الموازنة ، أو الطاقة من المكابس الأخرى المتصلة بنفس العمود أو (في الأسطوانة ذات الفعل المزدوج ) بنفس العملية التي تعمل على الجانب الآخر من المكبس. هذا هو المكان الذي يشكل فيه المكبس أصغر حجم في الأسطوانة. في معظم الأنواع، تتم إزالة الغازات المتوسعة أو " المستنفدة " من الأسطوانة من خلال هذه الشوط . الاستثناء هو محرك ستيرلنغ ، الذي يسخن ويبرد بشكل متكرر نفس الكمية المختومة من الغاز. الشوط هو ببساطة المسافة بين النقطة الميتة العليا والنقطة الميتة السفلى، أو أعظم مسافة يمكن أن يقطعها المكبس في اتجاه واحد.

في بعض التصميمات، قد يتم تشغيل المكبس في كلا الاتجاهين داخل الأسطوانة، وفي هذه الحالة يُقال إنه مزدوج الفعل .

في أغلب الأنواع، يتم تحويل الحركة الخطية للمكبس إلى حركة دورانية عبر ذراع توصيل وعمود مرفقي أو بواسطة لوح دوار أو آلية مناسبة أخرى. غالبًا ما يتم استخدام دولاب الموازنة لضمان الدوران السلس أو لتخزين الطاقة لحمل المحرك خلال جزء غير مزود بالطاقة من الدورة. كلما زاد عدد الأسطوانات في المحرك الترددي، بشكل عام، كلما كان بإمكانه العمل بدون اهتزازات (بسلاسة). تتناسب قوة المحرك الترددي مع حجم إزاحة المكابس مجتمعة.

يجب عمل سد بين المكبس المنزلق وجدران الأسطوانة حتى لا يتسرب الغاز عالي الضغط فوق المكبس ويقلل من كفاءة المحرك. يتم توفير هذا السد عادة بواسطة حلقة مكبس واحدة أو أكثر . هذه الحلقات مصنوعة من معدن صلب، ويتم تثبيتها في أخدود دائري في رأس المكبس. تتناسب الحلقات بشكل وثيق مع الأخدود وتضغط برفق على جدار الأسطوانة لتكوين سد، ويزداد الضغط عندما يتحرك ضغط الاحتراق الأعلى حول أسطحها الداخلية.

من الشائع تصنيف مثل هذه المحركات حسب عدد الأسطوانات ومحاذاة الأسطوانات والحجم الإجمالي لإزاحة الغاز بواسطة المكابس المتحركة في الأسطوانات والتي تقاس عادةً بالسنتيمتر المكعب (سم ³ أو سم3) أو باللتر (لتر) أو (ل) (الولايات المتحدة: لتر). على سبيل المثال، بالنسبة لمحركات الاحتراق الداخلي، فإن التصميمات ذات الأسطوانة الواحدة والاثنتين شائعة في المركبات الأصغر مثل الدراجات النارية ، بينما تحتوي السيارات عادةً على ما بين أربع وثماني أسطوانات، وقد تحتوي القاطرات والسفن على اثنتي عشرة أسطوانة أو أكثر. قد تتراوح سعة الأسطوانات من 10 سم ³ أو أقل في المحركات النموذجية إلى آلاف اللترات في محركات السفن. ^[7]

تؤثر نسبة الانضغاط على الأداء في أغلب أنواع المحركات الترددية، وهي النسبة بين حجم الأسطوانة عندما يكون المكبس في أسفل شوطه، والحجم عندما يكون المكبس في أعلى شوطه.

نسبة القطر/الشوط هي نسبة قطر المكبس، أو " القطر "، إلى طول السفر داخل الأسطوانة، أو "الشوط". إذا كانت هذه النسبة حوالي 1، يقال إن المحرك "مربع". إذا كانت أكبر من 1، أي أن القطر أكبر من الشوط، فهو "مربع بشكل زائد". إذا كانت أقل من 1، أي أن الشوط أكبر من القطر، فهو "مربع بشكل ناقص".

يمكن محاذاة الأسطوانات في خط مستقيم ، أو في شكل حرف V ، أو أفقيًا مقابل بعضها البعض، أو شعاعيًا حول العمود المرفقي. تضع محركات المكابس المتقابلة مكبسين يعملان في طرفين متقابلين لنفس الأسطوانة، وقد تم تمديد ذلك إلى ترتيبات مثلثة مثل Napier Deltic . وضعت بعض التصميمات الأسطوانات في حركة حول العمود، مثل المحرك الدوار .

في بعض المحركات البخارية، قد تكون الأسطوانات ذات أحجام مختلفة، حيث تعمل الأسطوانة ذات الثقب الأصغر على تشغيل أعلى ضغط للبخار. ثم يتم تغذيته من خلال أسطوانة واحدة أو أكثر ذات ثقب أكبر بشكل متزايد على التوالي، لاستخراج الطاقة من البخار عند ضغوط أقل بشكل متزايد. تسمى هذه المحركات المحركات المركبة .

بصرف النظر عن النظر إلى القدرة التي يمكن للمحرك إنتاجها، يمكن أيضًا استخدام متوسط ​​الضغط الفعال (MEP) في مقارنة ناتج القدرة وأداء المحركات الترددية من نفس الحجم. متوسط ​​الضغط الفعال هو الضغط الوهمي الذي ينتج نفس مقدار العمل الصافي الذي تم إنتاجه أثناء دورة شوط القدرة. يتضح ذلك من خلال:

${\displaystyle W_{net}={\text{MEP}}\cdot A_{p}S={\text{MEP}}\cdot V_{d}}$

حيث هي المساحة الكلية للمكبس في المحرك، و هي طول شوط المكابس، و هي حجم الإزاحة الكلي للمحرك. لذلك: ${\displaystyle A_{p}}$${\displaystyle S}$${\displaystyle V_{d}}$

${\displaystyle {\text{MEP}}={\frac {W_{net}}{V_{d}}}}$

أيهما المحرك ذو القيمة الأكبر لـ MEP ينتج المزيد من العمل الصافي لكل دورة ويؤدي بشكل أكثر كفاءة. ^[2]

في المحركات البخارية ومحركات الاحتراق الداخلي، يلزم وجود صمامات للسماح بدخول وخروج الغازات في الأوقات الصحيحة في دورة المكبس. تعمل هذه الصمامات بواسطة أعمدة الكامات أو المحاور اللامركزية أو الكرنك التي يتم تشغيلها بواسطة عمود المحرك. استخدمت التصميمات المبكرة صمام الشريحة D ولكن تم استبداله إلى حد كبير بصمام المكبس أو صمام القفاز . في المحركات البخارية، تسمى النقطة في دورة المكبس التي يغلق عندها صمام مدخل البخار بالقطع ويمكن التحكم فيها غالبًا لضبط عزم الدوران الذي يوفره المحرك وتحسين الكفاءة. في بعض المحركات البخارية، يمكن استبدال عمل الصمامات بأسطوانة متذبذبة .

تعمل محركات الاحتراق الداخلي من خلال سلسلة من الأشواط التي تسمح بدخول الغازات وإزالتها من الأسطوانة. تتكرر هذه العمليات بشكل دوري ويقال إن المحرك ثنائي الأشواط أو رباعي الأشواط أو سداسي الأشواط اعتمادًا على عدد الأشواط التي يستغرقها لإكمال الدورة.

النوع الأكثر شيوعًا هو المحرك رباعي الأشواط، والذي يحتوي على الدورات التالية.

1. السحب : يُعرف أيضًا بالحث أو الشفط. تبدأ هذه الشوط للمكبس عند النقطة الميتة العليا (TDC) وتنتهي عند النقطة الميتة السفلى (BDC). في هذه الشوط يجب أن يكون صمام السحب في وضع مفتوح بينما يسحب المكبس خليط الهواء والوقود إلى الأسطوانة عن طريق إنتاج ضغط فراغ في الأسطوانة من خلال حركته إلى الأسفل. يتحرك المكبس إلى الأسفل بينما يتم امتصاص الهواء بواسطة الحركة إلى الأسفل ضد المكبس.
2. الضغط : تبدأ هذه المرحلة عند النقطة الميتة السفلى، أو عند نهاية مرحلة السحب، وتنتهي عند النقطة الميتة السفلى. في هذه المرحلة، يضغط المكبس على خليط الهواء والوقود استعدادًا للاشتعال أثناء مرحلة القدرة (أدناه). يتم إغلاق صمامي السحب والعادم أثناء هذه المرحلة.
3. الاحتراق : يُعرف أيضًا بالطاقة أو الاشتعال. هذه هي بداية الدورة الثانية لدورة الأشواط الأربعة. في هذه المرحلة، أكمل العمود المرفقي دورة كاملة 360 درجة. بينما يكون المكبس في TDC (نهاية شوط الانضغاط) يتم إشعال خليط الهواء المضغوط والوقود بواسطة شمعة إشعال (في محرك البنزين) أو بالحرارة الناتجة عن الضغط العالي (محركات الديزل)، مما يعيد المكبس بقوة إلى BDC. تنتج هذه الشوط عملًا ميكانيكيًا من المحرك لتدوير العمود المرفقي.
4. العادم : يُعرف أيضًا باسم المخرج. أثناء شوط العادم ، يعود المكبس مرة أخرى من النقطة الميتة السفلى إلى النقطة الميتة السفلى بينما يكون صمام العادم مفتوحًا. يؤدي هذا الإجراء إلى طرد خليط الهواء والوقود المستهلك عبر صمام العادم.

تم تطوير المحرك الترددي في أوروبا خلال القرن الثامن عشر، أولاً كمحرك جوي ثم لاحقًا كمحرك بخاري . وتبع ذلك محرك ستيرلنغ ومحرك الاحتراق الداخلي في القرن التاسع عشر. الشكل الأكثر شيوعًا للمحرك الترددي اليوم هو محرك الاحتراق الداخلي الذي يعمل على احتراق البنزين أو الديزل أو غاز البترول المسال (LPG) أو الغاز الطبيعي المضغوط (CNG) ويستخدم لتشغيل المركبات الآلية ومحطات الطاقة .

كان أحد المحركات الترددية البارزة من عصر الحرب العالمية الثانية هو  محرك Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major الشعاعي المكون من 28 أسطوانة وقوة 3500 حصان (2600 كيلو وات) . لقد كان يشغل الجيل الأخير من الطائرات ذات المحركات المكبسية الكبيرة قبل أن تتولى المحركات النفاثة والمحركات التوربينية المروحية الأمر من عام 1944 فصاعدًا. كانت سعة المحرك الإجمالية 71.5 لترًا (4360 بوصة مكعبة)، وكانت نسبة القدرة إلى الوزن عالية .

أكبر محرك ترددي قيد الإنتاج حاليًا، ولكنه ليس الأكبر على الإطلاق، هو محرك الديزل ثنائي الأشواط بشاحن توربيني Wärtsilä-Sulzer RTA96-C الذي بنته شركة Wärtsilä عام 2006. ويُستخدم لتشغيل أكبر سفن الحاويات الحديثة مثل Emma Mærsk . ويبلغ ارتفاعه خمسة طوابق (13.5 مترًا أو 44 قدمًا)، وطوله 27 مترًا (89 قدمًا)، ويزن أكثر من 2300 طن متري (2535 طنًا قصيرًا ؛ 2264 طنًا طويلًا ) في أكبر إصدار له مكون من 14 أسطوانة ينتج أكثر من 84.42 ميجاوات (113209 حصانًا). تبلغ سعة كل أسطوانة 1820 لترًا (64 قدمًا مكعبًا)، مما يجعل السعة الإجمالية 25480 لترًا (900 قدم مكعب) لأكبر الإصدارات.

بالنسبة لمحركات المكبس، فإن سعة المحرك هي سعة المحرك ، أو بعبارة أخرى الحجم الذي تكتسحه جميع مكابس المحرك في حركة واحدة. يتم قياسها عمومًا باللتر ( l) أو البوصة المكعبة (cid أو cu in أو in ³ ) للمحركات الأكبر حجمًا، والسنتيمتر المكعب (cc) للمحركات الأصغر حجمًا. مع تساوي كل العوامل الأخرى، تكون المحركات ذات السعات الأكبر أكثر قوة ويزداد استهلاك الوقود وفقًا لذلك (على الرغم من أن هذا لا ينطبق على كل محرك ترددي)، على الرغم من أن الطاقة واستهلاك الوقود يتأثران بالعديد من العوامل خارج سعة المحرك.

يمكن وصف المحركات الترددية بقوتها النوعية ، والتي تُعطى عادةً بالكيلووات لكل لتر من سعة المحرك (في الولايات المتحدة أيضًا قوة حصانية لكل بوصة مكعبة). تقدم النتيجة تقريبًا لأقصى طاقة خرج للمحرك. لا ينبغي الخلط بين هذا وكفاءة الوقود ، لأن الكفاءة العالية تتطلب غالبًا نسبة وقود إلى هواء هزيلة، وبالتالي كثافة طاقة أقل. ينتج محرك السيارة الحديثة عالية الأداء أكثر من 75 كيلووات/لتر (1.65 حصان/بوصة مكعبة ⁾ .

لا تزال المحركات الترددية التي تعمل بالهواء المضغوط أو البخار أو الغازات الساخنة الأخرى تُستخدم في بعض التطبيقات مثل تشغيل العديد من الطوربيدات الحديثة أو كقوة دافعة خالية من التلوث. تستخدم معظم التطبيقات التي تعمل بالبخار توربينات بخارية ، وهي أكثر كفاءة من محركات المكبس.

تستخدم مركبات FlowAIR المصممة في فرنسا الهواء المضغوط المخزن في أسطوانة لتشغيل محرك ترددي في مركبة حضرية خالية من التلوث المحلي. ^[8]

قد تستخدم الطوربيدات غازًا عاملاً يتم إنتاجه بواسطة بيروكسيد الاختبار العالي أو وقود أوتو II ، والذي يعمل تحت الضغط دون احتراق. على سبيل المثال، يمكن لطوربيد مارك 46 الذي يبلغ وزنه 230 كجم (510 رطل) أن يسافر لمسافة 11 كم (6.8 ميل) تحت الماء بسرعة 74 كم/ساعة (46 ميلاً في الساعة) باستخدام وقود أوتو بدون مؤكسد .

المحركات الحرارية الكمومية هي أجهزة تولد الطاقة من الحرارة التي تتدفق من خزان ساخن إلى خزان بارد. يمكن وصف آلية عمل المحرك بقوانين ميكانيكا الكم . الثلاجات الكمومية هي أجهزة تستهلك الطاقة بغرض ضخ الحرارة من خزان بارد إلى خزان ساخن.

في المحرك الحراري الكمومي الترددي، يكون الوسط العامل عبارة عن نظام كمي مثل أنظمة الدوران أو المذبذب التوافقي. دورة كارنو ودورة أوتو هما الأكثر دراسة. ^[9] تخضع الإصدارات الكمومية لقوانين الديناميكا الحرارية . بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه النماذج تبرير افتراضات الديناميكا الحرارية العكسية . أظهرت دراسة نظرية أنه من الممكن والعملي بناء محرك ترددي يتكون من ذرة متذبذبة واحدة. هذا مجال للأبحاث المستقبلية ويمكن أن يكون له تطبيقات في تكنولوجيا النانو . ^[10]

هناك عدد كبير من الأنواع غير العادية من محركات المكبس التي تتمتع بمزايا مختلفة، وكثير منها لا يرى سوى القليل من الاستخدام الحالي، إن وجد:

• محرك بورك
• محرك المكبس الحر
• محرك ايريس
• محرك المكبس المتقابل
• محرك محوري
• محرك الكامة ^[11]
• محرك أسطواني دوار ^[12]
• محرك المكبس المتأرجح
• محرك حراري مغناطيسي

• فيديو الاحتراق - الاحتراق داخل الأسطوانة في محرك ثنائي الشوط يمكن الوصول إليه بصريًا
• HowStuffWorks: كيف تعمل محركات السيارات
• المحركات الترددية في Infoplease.
• محركات المكبس في لجنة المئوية للطيران بالولايات المتحدة.