محرك احتراق داخلي

محرك الاحتراق الداخلي هو محرك حراري يحترق بداخله وقود مع مؤكسد (عادة هواء) في غرفة الاحتراق، والتي تُعتبر جزءًا من دائرة سريان الوقود. يؤثر تمدد الغازات ذات الضغط ودرجة الحرارة المرتفعين الناتجة عن الاحتراق في محرك الاحتراق الداخلي، بقوة مباشرة على بعض مكونات المحرك. تُطبق هذه القوة على المكابس وريش التربينة والفوهة الدافعة.

تؤدي هذه القوة إلى تحريك الجزء الذي تُؤثر عليه لمسافة معينة نتيجة تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية.

صُنع أول محرك احتراق داخلي نجح تجارياً بواسطة إتيان لينوار عام 1859 تقريباً، وصُنع أول محرك احتراق داخلي حديث في عام 1876 بواسطة نيكولاس أوتو (انظر دورة أوتو).

يشير مصطلح محرك الاحتراق الداخلي في العادة إلى أن عملية الاحتراق تتم بشكل متقطع (أي أنها تحدث كل فترة وليست مستمرة بشكل متصل)، ومثال على ذلك المحركات المكبسية الأكثر شيوعاً رباعية الأشواط وثنائية الشوط، بالإضافة إلى المحرك سداسي الأشواط ومحرك فانكل الدوار.

يستخدم نوع آخر من محركات الاحتراق الداخلي عملية احتراق متصلة، مثل: التربينات الغازية والمحركات النفاثة ومعظم المحركات الصاروخية، كل منها يندرج تحت تصنيف محركات الاحتراق الداخلي . تعتبر الأسلحة النارية من محركات الاحتراق الداخلي أيضاً.

تختلف محركات الاحتراق الداخلي اختلافاً طفيفاً عن محركات الاحتراق الخارجي مثل المحركات البخارية ومحرك ستيرلينج، التي تحتوي على مائع تشغيل يحصل على الطاقة من مصدر خارجي (مثال: حرق الفحم لتسخين المراجل للحصول على البخار اللازم (للمحرك البخاري) ولا يكون المائع جزءاً من نواتج الاحتراق أو مختلطاً معها. يًسخن مائع التشغيل في مِرجل (غلاية)، ويُمكن أن يكون مائع التشغيل هواء أو مياه ساخنه أو مياه مضغوطه أو حتى الصوديوم السائل. تُشغل غالباً محركات الاحتراق الداخلي بوقود سائل مرتفع الطاقة ومشتق من الوقود الأحفوري. تستخدم معظم محركات الاحتراق الداخلي في التطبيقات المتنقلة بالإضافة للعديد من التطبيقات الثابتة، وًتعتبر مصدر الطاقة الأساسي للمركبات مثل السيارات والطائرات والقوارب.

يعمل محرك الاحتراق الداخلي بالوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي، والمشتقات البترولية مثل البنزين والديزل وزيت الوقود. كما أن هناك استخدام متزايد للوقود المتجدد مثل استخدام الديزل الحيوي في محركات الاشعال بالانضغاط، ووقود الميثانول في محركات الاشعال بالشرارة.

يُستخدم الهيدروجين أحياناً كوقود، ويُمكن الحصول عليه من الوقود الحفري أو من الطاقة المتجددة.

رسم توضيحي لأسطوانة محرك بنزين رباعي الأشواط، حيث:

c:عمود المرفق.

E:عمود حدبات صمام العادم.

I: عمود حدبات صمام الدخول.

p: مكبس.

R: ذراع توصيل.

S: شمعة اشعال.

V: صمامات، الأحمر للعادم والأزرق للشحنة الداخلة.

W: غطاء مائي (بالإنجليزية: Water jacket)‏.

الهيكل الرمادي: حاوية الأسطوانة.

رسم بياني لدورة كارنوت المثالية على منحنى الضغط والحجم.

Q1:كمية الحرارة المضافة من الاحتراق.

Q2: كمية الحرارة المطرودة في العادم.

T1: درجة حرارة الدخول.

T2:درجة حرارة الخروج.

محرك الاحتراق الداخلي هو محرك حراري يحترق بداخله وقود مع مؤكسد (عادة هواء) في غرفة الاحتراق، والتي تُعتبر جزء من دائرة سريان الوقود. يؤثر تمدد الغازات ذات الضغط ودرجة الحرارة المرتفعين الناتجة عن الاحتراق في محرك الاحتراق الداخلي، بقوة مباشرة على بعض مكونات المحرك. تُطبق هذه القوة على المكابس وريش التربينة والفوهة الدافعة.

تؤدي هذه القوة إلى تحريك الجزء الذي تُؤثر عليه لمسافة معينة نتيجة تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية.

صُنع أول محرك احتراق داخلي نجح تجارياً بواسطة إتيان لينوار عام 1859 تقريباً[1]، وصُنع أول محرك احتراق داخلي حديث في عام 1876 بواسطة نيكولاس أوتو (انظر دورة أوتو).

يشير مصطلح محرك الاحتراق الداخلي في العادة إلى أن عملية الاحتراق تتم بشكل متقطع (أي أنها تحدث كل فترة وليست مستمرة بشكل متصل)، ومثال على ذلك المحركات المكبسية الأكثر شيوعاً رباعية الأشواط وثنائية الشوط، بالإضافة إلى المحرك سداسي الأشواط ومحرك فانكل الدوار.

يستخدم نوع آخر من محركات الاحتراق الداخلي عملية احتراق متصلة، مثل: التربينات الغازية والمحركات النفاثة ومعظم المحركات الصاروخية، كل منها يندرج تحت تصنيف محركات الاحتراق الداخلي .[1] تعتبر الأسلحة النارية من محركات الاحتراق الداخلي أيضاً.[2]

تختلف محركات الاحتراق الداخلي اختلافاً طفيفاً عن محركات الاحتراق الخارجي مثل المحركات البخارية ومحرك ستيرلينج، التي تحتوي على مائع تشغيل يحصل على الطاقة من مصدر خارجي (مثال: حرق الفحم لتسخين المراجل للحصول على البخار اللازم للمحرك البخاري) ولا يكون المائع جزءاً من نواتج الاحتراق أو مختلطاً معها. يًسخن مائع التشغيل في مِرجل (غلاية)، ويُمكن أن يكون مائع التشغيل هواء أو مياه ساخنه أو مياه مضغوطه أو حتى الصوديوم السائل. تُشغل غالباً محركات الاحتراق الداخلي بوقود سائل مرتفع الطاقة ومشتق من الوقود الأحفوري. تستخدم معظم محركات الاحتراق الداخلي في التطبيقات المتنقلة بالإضافة للعديد من التطبيقات الثابتة، وًتعتبر مصدر الطاقة الأساسي للمركبات مثل السيارات والطائرات والقوارب.

يعمل محرك الاحتراق الداخلي بالوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي، والمشتقات البترولية مثل البنزين والديزل وزيت الوقود. كما أن هناك استخدام متزايد للوقود المتجدد مثل استخدام الديزل الحيوي في محركات الاشعال بالانضغاط، ووقود الميثانول في محركات الاشعال بالشرارة.

يُستخدم الهيدروجين أحياناً كوقود، ويُمكن الحصول عليه من الوقود الحفري أو من الطاقة المتجددة.

محتويات

التاريخ

ساهم العديد من العلماء والمهندسين في تطوير محرك الاحتراق الداخلي.

طور جون بارنر تربينه في عام 1791.

نال توماس ميد براءة اختراع محرك غازي في عام 1794.

نال روبرت ستريت براءة اختراع أيضاً لمحرك احتراق داخلي، كان أول محرك يستخدم وقود سائل، كما قام بتصنيع محرك في وقت قريب من ذلك الوقت.

صنع جون ستيفنز أول محرك احتراق داخلي أمريكي في عام 1798.

صنع المهندس السويسري فرنسواس اسحاق دي ريفاز محرك احتراق داخلي يحدث الإشعال فيه بواسطة شمعة احتراق كهربية.

نال صامويل براون براءة اختراع في عام 1823 لأول محرك احتراق داخلي يُستخدم صناعياً.

أنتج البلجيكي جيان جوسيف إتيان لينوار محرك احتراق داخلي غازي في عام 1860.

نال نيكولاس أوتو براءة اختراع في عام 1864 على أول محرك غازي يعمل تحت الضغط الجوي (تعود مكابسه لمواضعها نتيجة تأثير الضغط الجوي بعد تكثف الغاز في الجهة المقابلة).

اخترع الأمريكي جورج برايتون أول محرك احتراق داخلي تجاري يعمل بوقود سائل في عام 1860.

عمل نيكولاس أوتو مع جوتليب دايملر وفيلهلم مايباخ على اختراع محرك رباعي الأشواط ذات شحنة مضغوطة (الشحنة المضغوطة: خليط الوقود والهواء يتم ضغطه في أسطوانات المحرك) في عام 1876.

اخترع كارل بنز محرك غازي ثنائي الشوط في عام 1879.

طور رودولف ديزل أول محرك اشعال بالانضغاط ذات شحنة مضغوطة في عام 1892.

أطلق روبرت جودارد أول صاروخ يعمل بوقود سائل في عام 1926.

أصبح طائرة هينكل إتش إي 178 أول طائرة نفاثة في العالم في عام 1939.

أصل المصطلحات

كانت كلمة محرك (بالإنجليزية: Engine)‏ (مأخوذه من الفرنسية القديمة، التي أخذتها من الكلمة اللاتينية "ingenium" والتي تعني "القدرة") في وقت ما تعني أي قطعة من الألة، الفهم الذي مازال مستمراً في المصطلحات مثل محرك الحصار، بنما تشير كلمة "موتور" (مأخوذه من اللاتينية "motor" وتعني "محرك") إلى أي ألة تنتج قدرة ميكانيكية. لا يُطلق على المواتير الكهربائية عادة لفظ "محركات"، بينما يُشار إلى محركات الاحتراق الداخلي بلفظ "مواتير" (يشير لفظ "محرك كهربي" (بالإنجليزية: Electric engine)‏ إلى قاطرة كهربائية.).

يُشار إلى محرك الاحتراق الداخلي المركب في هيكل السفينة بلفظ "محرك"، بينما يُطلق على المحركات المركبة على سطح السفينة لفظ "مواتير".[3]

التطبيقات

محرك ترددي داخل سيارة.

محرك ديزل كبير يعمل كمصدر طاقة احتياطي.

تعتبر المحركات المكبسية الترددية أكثر مصدر طاقة شيوعاً للمركبات البرية والمائية، مثل السيارات والدراجات النارية والسفن، وبدرجة أقل القاطرات (بعض القاطرات يعمل بالكهرباء لكن معظمها يستخدم محركات ديزل[4][5]). تُستخدم محركات فانكل الدوارة في بعض السيارات والطائرات والدراجات النارية.

ظهرت محركات الاحتراق الداخلي في صورة التربينات الغازية أو محركات فانكل عندما نشأت الحاجة إلى نسب قدرة إلى وزن مرتفعة جداً. تستخدم الطائرات محركات الاحتراق الداخلي، حيث كانت تستخدم الأنواع القديمة المحركات الترددية، بينما تُستخدم المحركات النفاثة الآن، وتستخدم المروحيات محرك عمود دوران توربيني الذي يندرج مع المحرك النفاث ضمن أنواع التربينات الغازية. قد تستخدم طائرات الرحلات محرك احتراق داخلي منفصل كوحدة طاقة مساعدة. جُهز العديد من الطائرات الألية بمحركات فانكل.

تشغل محركات الاحتراق الداخلي مولدات كهربائية كبيرة تزود الشبكات الكهربائية بالطاقة. تتواجد المحركات في صورة تربينات غازية في دورة طاقة مركبة (تربينات غازية وتربينات بخارية) تتراوح قدرتها الكهربائية الناتجة من 100 ميجا وات إلى 1 جيجا وات. تُستخدم غازات عادم المحرك ذات درجة الحرارة المرتفعة في الغلي والتسخين الفائق للمياه لتشغيل التربينة البخارية، لذلك تكون كفاءة الدورة المركبة أكبر حيث تكون الطاقة المستفادة من الوقود أكثر من التي يُمكن الاستفادة بها في حالة التربينة الغازية فقط. تتراوح القيم المثالية لكفاءة الدورات المركبة من 50 إلى 60%. تُستخدم مولدات الديزل في نطاق أصغر كمصدر احتياطي للطاقة وكمصدر طاقة للمناطق التي لا يتوافر فيها شبكات كهربائية.

تُستخدم المحركات الصغيرة (محركات بنزين ثنائية الشوط عادة) كمصدر طاقة شائع لألات جز العشب والمناشير الكهربائية ومنفاخ أوراق الشجر وألات الغسل ذات الضغط العالي وزلاجات الجليد الألية والزلاجة المائية والمحركات الخارجية (محركات دفع القوارب) والدراجات والدراجات النارية.

مصدر المقال