محرك

الانبعاثات والنواتج الثانوية

من جهة ثانية، تطلق جميع المحركات الحرارية التي تعمل بالوقود الكيميائي غازات عادم. وتنتج المحركات الأكثر نظافة الماء فقط؛ حيث يشير مفهوم «صفر انبعاثات» بمعناه الدقيق عموماً إلى عدم وجود أي انبعاثات سوى الماء وبخار الماء. ولا تحقق المحركات الحرارية «صفر انبعاثات» وفق هذا التعريف الصارم إلا في حال احتراق الهيدروجين النقي (كوقود) مع الأكسجين النقي (كمؤكسد)، كما هو الحال عملياً في بعض محركات الصواريخ. أما إذا أُحرق الهيدروجين مع الهواء (كما في جميع المحركات المستنشقة للهواء)، فإن تفاعلاً جانبياً يحدث بين الأكسجين في الهواء والنتروجين، مما ينتج كميات صغيرة من أكاسيد النيتروجين (NOx). وفي حال احتراق الهيدروكربونات (مثل الكحول أو البنزين) كوقود، ينبعث ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وهو أحد غازات الدفيئة. ويمكن كذلك جعل الهيدروجين والأكسجين يتفاعلان لتكوين الماء في «خلية وقود» دون إنتاج أكاسيد النيتروجين، إلا أن خلية الوقود تُعد جهازاً كهروميكانيكياً وليست محركاً حرارياً.

محرك الاحتراق الداخلي

كذلك، محرك الاحتراق الداخلي هو محرك يحدث فيه احتراق الوقود (عادةً الوقود الأحفوري) مع مؤكسد (عادةً الهواء) داخل غرفة احتراق. يؤدي تمدد الغازات الناتجة عن الاحتراق ذات درجة الحرارة والضغط المرتفعين في هذا النوع من المحركات إلى تسليط قوة مباشرة على مكونات المحرك، مثل المكبس ، أو شفرات التوربين، أو فوهة نفث (Nozzle). ومن خلال تحريك هذه المكونات لمسافة معينة، يتم إنتاج الشغل الميكانيكي.

محرك الاحتراق الخارجي

إضافةً إلى ذلك، يمكن أن يكون سائل التشغيل غازاً كما هو الحال في «محرك ستيرلينغ»، أو بخاراً كما في «المحرك البخاري»، أو سائلاً عضوياً مثل «البنتان العادي» (n-pentane) في «». ويمكن أن يكون السائل من أي تركيبة؛ والغاز هو الأكثر شيوعاً على الإطلاق، رغم استخدام سائل أحادي الطور في بعض الأحيان. وفي حالة المحرك البخاري، يغير السائل أطواره بين الحالة السائلة والغازية.

ومن ناحية أخرى، يشير مصطلح «الاحتراق» هنا إلى حرق الوقود مع مؤكسد لتوفير الحرارة. قد تستعمل محركات ذات تكوين وطريقة تشغيل مشابهة (أو حتى متطابقة) مصادر حرارة أخرى مثل الطاقة النووية، أو الشمسية، أو الحرارية الأرضية، أو التفاعلات الطاردة للحرارة التي لا تتضمن احتراقاً؛ وفي هذه الحالة لا تُصنف بدقة كمحركات احتراق خارجي، بل كـ محركات حرارية خارجية.

في هذا الإطار، محرك الاحتراق الخارجي (EC engine) هو محرك حراري يتم فيه تسخين سائل تشغيل داخلي عن طريق احتراق من مصدر خارجي، وذلك عبر جدار المحرك أو من خلال مبادل حراري. لاحقًا، يقوم هذا السائل، عن طريق التمدد والتأثير على آلية المحرك بإنتاج حركة وشغل مفيد. ثم يتم تبريد السائل وضغطه وإعادة استخدامه (دورة مغلقة)، أو (بشكل أقل شيوعاً) يتم التخلص منه وسحب سائل بارد بدلاً منه (محرك هوائي ذو دورة مفتوحة).

كفاءة محرك البنزين

في هذا الإطار، وهذا الحد يسمى كفاءة دورة كارنو وهي تعطي كفاءة آلة مثالية لا يحدث فيها أي فقد للحرارة أو احتكاك. ولا يمكن لأي آلة عملية تعدي ذلك الحد مهما كانت تركيبتها.

وعلى صعيد آخر، يضع القانون الثاني للحرارة حدا أقصى لكفاءة الآلة الحرارية سواء كانت تعمل بالبنزين أو بالبخار. وحتى لو فرض أن الآلة مثالية ولا تفقد حرارة بالاحتكاك فهي لا تستطيع تحويل كمية الحرارة المعطاة لها إلى شغل. والحدود المتحكمة في ذلك هي درجة الحرارة T1 المتولدة في المحرك، ودرجة حرارة الوسط المحيط T2 للمحرك والذي يخرج فيه الغاز العادم. مع العلم أننا نعني هنا درجات الحرارة المطلقة أي المقاسة بالكلفن. وتعطينا معادلة كارنو العلاقة لآلة تعمل بين تلك الدرجتين كالآتي:

من جهة ثانية، وبالمقارنة بمحرك السيارة يحرق البنزين في أسطوانة السيارة عند درجة حرارة T1108 كلفن وباعتبار درجة حرارة الجو T2=294 كلفن، يمكننا حساب الحد الأقصى لكفاءة محرك البنزين، وهو يعطى بالعلاقة الآتية:

كذلك، ونظرا لظروف تشغيل آلة حقيقية يحدث فيها احتكاك وفقد لا خلاص منه للحرارة تكون كفاءة محرك البنزين أقل كثيرا عن كفاءة دورة كارنو. وتصل كفاءة محرك الاحتراق الداخلي بين 30% و 35% فقط.

محرك كهربائي

علاوةً على ذلك، عادةً ما نجد المحركات البخارية في ميدان تحريك الآلات وخاصة النقل كالسيارات والسفن. وتوجد محركات أخرى لا تولد الحركة عن طريق إحراق الوقود مثل المحركات الكهربائية.

أجزاء المحرك

يتكون محرك السيارة من عدة أجزاء رئيسية:

كذلك، غرفة الاحتراق: وهي المساحة التي يحدث فيها الانضغاط والاحتراق وكما لاحظنا فهي تتغير بين قيمة صغرى (عند الانضغاط) وقيمة عظمى (عند سحب الخليط).

من جهة ثانية، الاسطوانة: تعد الأسطوانة الجزء الرئيسي للمحرك أو وعادة ما تحتوي محركات السيارات على أربعة اسطوانات أو ستة أو ثمانية وفي هذه الحالة يتم ترتيب الأسطوانات في المحرك بثلاثة أوضاع فإما تكون مرتبة على خط مستقيم أو ترتب في خطين متوازيين أو على شكل حرف V، لكل شكل مجموعة مزايا وعيوب تميزه عن غيرة من حيث تقليل ارتجاج المحرك وكفاءته وسرعته.

وفي هذا السياق، الصمامات: لكل اسطوانة صمامين واحد لادخال الوقود والهواء والثاني لإخراج ناتج الاحتراق وكلاهما يفتحا ويغلقا حسب الشوط ولكن في حالة شوط الانضغاط يغلقا تماما.

من جانب آخر، المكبس: وهو قطعة من الصلب تتحرك للأعلى والأسفل داخل الاسطوانة.

من جهة ثانية، البوجيه: تقوم هذة القطعة بتوليد الشرارة الكهربية في لحظة انضغاط الخليط (الهواء والبنزين) لتحدث الاحتراق اما في محركات الديزل لا توجد هذه القطعة حيث يحترق الوقود نتيجة لارتفاع درجة حرارته.

ومن ناحية أخرى، حلقات المكبس: توجد حلقات المكبس بين الجزء الخارجي للمكبس والجزء الداخلي للاسطوانة لتسمح بحركة المكبس دون السماح لتسرب خليط الوقود والهواء أو ناتج الاحتراق من التسرب كذلك تمنع من تسرب الزيت إلى داخل الاسطوانة. وعادة ما يحتاج المحرك إلى تغيير هذه الحلقات إذا لوحظ نقصان متكرر في معدل الزيت لانه يكون قد تسرب إلى داخل الاسطوانة

وفي هذا الصدد، عمود التوصيل:وهو العمود الذي يوصل المكبس مع عمود ناقل الحركة والذي يجعله يدور في حركة دائرية

• عمود ناقل الحركة: وهو الذي يعمل على تحريك المكبس للأعلى وللأسفل.
• وعاء الزيت: وهو وعاء يحتفظ بالزيت ليغمر عمود ناقل الحركة.
• انظر كذلك
• دورة كارنو
• محرك الاحتراق الداخلي
• المحرك البخاري
• محرك احتراق خارجي
• محركات الحقن المباشر للبنزين
• محركات توقيت الصمامات المتغير المستمر
• وحدة التحكم للمحركات
• محرك W

مبدأ العمل

علاوةً على ذلك، المرحلة الأولى: وهو (شوط سحب رذاذ الوقود) ويكون المكبس في وضع النزول لأسفل.

طريقة عمل محرك الاحتراق الداخلي الرباعي حسب هذه المراحل:

وفي هذا السياق، مرحلة الطرد : يقوم المكبس بطرد نواتج الاحتراق خارج الأسطوانة.

ومن ناحية أخرى، المرحلة الثانية: وهو (شوط الضغط) ويكون المكبس في وضع الصعود لضغط مخلوط الهواء والوقود.

من جهة ثانية، وتتكرر هذه العملية على التوالي بترتيب معين للأسطوانات بحسب عدد الأسطوانات وشكل المحرك. ويبين الشكل طريقة عمل المحرك الرباعي الأشواط.

• المرحلة الثالثة: وهو (شوط الإشعال)ويكون المكبس وضع النزول لأسفل.
• المرحلة الرابعة: وهو (شوط طرد العادم) ويكون المكبس في وضع الصعود.
• خطوات عمل المحرك الذي يعمل بالبنزين (وهو يختلف عن محرك الديزل):
• مرحلة السحب: يقوم المكبس بسحب المخلوط الذي يتكون من الهواء والبنزين.
• مرحلة الضغط : يقوم المكبس بضغط المخلوط لأعلى لأقصى درجة.

ومن جهة أخرى، مرحلة الإشعال : تقوم شمعة الشرر بإشعال المخلوط ينتج عن ذلك انفجار المخلوط فيعمل على دفع المكبس لأسفل بقوة.

الأداء

ومن جهة أخرى، عزم الدوران: هو عزم تدويري على العمود، ويُحسب بضرب القوة المسببة للعزم في مسافة بعدها عن العمود.

ومن ناحية أخرى، السرعة: تشير السرعة إلى دوران عمود المرفق في المحركات المكبسية، وسرعة دوارات الضاغط/التوربين، ودوارات المحركات الكهربائية. وتُقاس عادةً بعدد الدورات في الدقيقة.

القدرة : هي مقياس لمدى سرعة إنجاز الشغل.

تُستعمل المعايير التالية في تقييم أداء المحركات:

من جانب آخر، الكفاءة: هي نسبة طاقة المخرجات المفيدة مقارنة بإجمالي المدخلات.

في هذا الإطار، قوة الدفع: هي القوة المبذولة على الطائرة نتيجة قيام المروحة أو المحرك النفاث بتسريع الهواء المار من خلاله. وهي كذلك القوة المبذولة على السفينة نتيجة قيام مروحتها بتسريع المياه المارة عبرها.

وعلى صعيد آخر، مستويات الصوت: يصدر ضجيج المركبة بشكل أساسي من المحرك عند السرعات المنخفضة، ومن الإطارات وتدفق الهواء حول المركبة عند السرعات العالية. وتُعد المحركات الكهربائية أكثر هدوءاً من محركات الاحتراق الداخلي. أما المحركات المنتجة للدفع، مثل المحركات التوربينية المروحية (Turbofans) والنفاثة والصواريخ، فتصدر أكبر قدر من الضجيج بسبب الطريقة التي تتفاعل بها تدفقات العادم عالية السرعة والمنتجة للدفع مع الهواء الساكن المحيط. وتشمل تكنولوجيا تقليل الضوضاء كواتم الصوت (Mufflers) في أنظمة السحب والعادم بمحركات البنزين والديزل، وبطانات خفض الضوضاء في مداخل المحركات التوربينية المروحية.

محرك الاحتراق

في هذا الإطار، محركات الاحتراق هي محركات حرارية تدار بالحرارة المتولدة عن عملية الاحتراق.

الأنواع

إضافةً إلى ذلك، يمكن تصنيف المحرك وفق معيارين: نوع الطاقة التي يستقبلها لتوليد الحركة، ونوع الحركة التي ينتجها.

المحرك الحراري

أنواع المحركات

• من أشهر محركات الاحتراق:
• محرك ديزل
• محرك أوتو
• محرك ستيرلينغ
• محرك الاحتراق الداخلي
• محرك احتراق خارجي
• المحرك البخاري