محركات الاحتراق الداخلي
كيفية عمل محرك احتراق داخلي
1. التعريفي
2. الضغط
3. القوة
4. العادم
محرك الاحتراق الداخلي هو محرك يتم فيه احتراق الوقود والمادة المؤكسدة (عادة ما تكون الهواء) داخل حيز محدود يطلق عليه غرفة الاحتراق.
ويطلق هذا التفاعل الطارد للحرارة غازات عند درجة عالية من الحرارة والضغط، ويُسمح لهذه الغازات بالتمدد.
والأمر الرئيسي الذي يميز محرك الاحتراق الداخلي هو أن الشغل المفيد تبذله الغازات الحارة المتمددة التي تضغط مباشرة لتسبب حركة أجزاء المحرك الصلبة، وذلك بالضغط على المكبس أو الجزء الدوار أو حتى بتحريك المحرك بأكمله.
وهذا على النقيض من محركات الاحتراق الخارجي، مثل المحركات البخارية ومحركات ستيرلينج، والتي تستخدم غرفة خارجية للاحتراق من أجل تسخين أحد الموائع الذي بدوره يبذل شغلا بتحريك مكبس أو توربينة على سبيل المثال.
أما مصطلح "محرك الاحتراق الداخلي" فكان دائما تقريبا يُستخدم للإشارة إلى المحركات ذات المكبس الترددي (reciprocating piston engines)، ومحركات وانكل وما شابهها من التصميمات التي يحدث فيها الاحتراق على نحو متقطع.
ومع ذلك، فإن المحركات ذات الاحتراق المستمر مثل المحركات النفاثة وأغلب الصواريخ والعديد من التوربينات الغازية هي أيضا محركات احتراق داخلي.
التطبيقات العملية لمحركات الاحتراق الداخلي
تستخدم محركات الاحتراق الداخلي في الأغلب الأعم في دفع المركبات والمعدات وغير ذلك من الماكينات التي يمكن تحريكها. وفي المعدات المتحركة، تتمتع محركات الاحتراق الداخلي بميزة أنها تحقق قدرة عالية بالنسبة إلى وزنها، وذلك بالإضافة إلى قدرتها المتميزة على استخلاص مقدار كبير من الطاقة من الوقود.
وقد ظهرت هذه المحركات في سائر وسائل النقل سواء في السيارات والشاحنات والدراجات النارية والقوارب والعديد من أنواع الطائرات والقاطرات، وهي عموما تعمل بالمنتجات البترولية (ويطلق عليها محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل كليا بالمنتجات البترولية APICEV).
وكذا الحال بالنسبة للسفن الكبيرة وطائرات الهليوكوبتر والطائرات النفاثة، حيث تتطلب قدرات عالية، وتكون في صورة توربينات.
وتستخدم أيضا في النطاق الصناعي كمولدات كهربائية، أي مولدات تعمل على جهد 12 فولت.
تستخدم محركات الاحتراق الداخلي في الأغلب الأعم في دفع المركبات والمعدات وغير ذلك من الماكينات التي يمكن تحريكها.
وفي المعدات المتحركة، تتمتع محركات الاحتراق الداخلي بميزة أنها تحقق قدرة عالية بالنسبة إلى وزنها، وذلك بالإضافة إلى قدرتها المتميزة على استخلاص مقدار كبير من الطاقة من الوقود.
وقد ظهرت هذه المحركات في سائر وسائل النقل سواء في السيارات والشاحنات والدراجات النارية والقوارب والعديد من أنواع الطائرات والقاطرات، وهي عموما تعمل بالمنتجات البترولية (ويطلق عليها محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل كليا بالمنتجات البترولية APICEV).
وكذا الحال بالنسبة للسفن الكبيرة وطائرات الهليوكوبتر والطائرات النفاثة، حيث تتطلب قدرات عالية، وتكون في صورة توربينات.
وتستخدم أيضا في النطاق الصناعي كمولدات كهربائية، أي مولدات تعمل على جهد 12 فولت.
كيفية تشغيل محركات الاحتراق الداخلي
تتكون الدورة من 4 مراحل:
1. سحب الوقود
2. ضغط غاز الوقود
3. اشتعال وتمدد الغاز
4. إخراج العادم
تعتمد جميع محركات الاحتراق الداخلي على عملية الاحتراق وهي عملية كيميائية طاردة للحرارة.
ويتم تفاعل احتراق الوقود عادة بأكسجين الهواء الجوي، إلا أنه يمكن أحيانا استخدام مؤكسدات أخرى مثل أكسيد النيتروز.
وأكثر أنواع الوقود شيوعا هي تلك التي تتكون من الهيدروكاربونات والتي تكون غالبا مشتقة من البترول.
وتشتمل على أنواع الوقود المعروفة بوقود الديزل والجازولين وغاز البترول، مع استخدام أكثر ندرة لغاز البروبان.
ويمكن لأغلب محركات الاحتراق الداخلي المصممة للعمل بالجازولين أن تعمل أيضا بالغاز الطبيعي أو بغازات البترول المسالة بدون تعديلات كبرى باستثناء مكونات توصيل الوقود.
ويمكن أيضا استخدام أنواع الوقود الحيوي سواء في صورة سائلة أو غازية، مثل الإيثانول والديزل الحيوي (وهو أحد أشكال الديزل الذي يتم إنتاجه من المحاصيل التي تحتوي على الجلسريدات الثلاثية مثل زيت الصويا).
ويمكن لبعضها العمل بغاز الهيدروجين.
وينبغي لجميع محركات الاحتراق الداخلي تحقيق الإشعال في داخل الاسطوانات من أجل إيجاد الاحتراق.
وعادة تستخدم المحركات إما طريقة الإشعال بالشرارة أو نظام الإشعال بالكبس.
وفيما مضى كانت تستخدم طرق أخرى باستخدام مواسير ساخنة أو شعلات من اللهب.
محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالبترول
عملية اشتعال الجازولين
تعتمد أنظمة اشتعال الجازولين (التي يمكنها أن تعمل بأنواع أخرى من الوقود كما هو مذكور سالفا) أو الإشعال الكهربائي على مجموعة متركبة من بطارية رصاص-حامض وملف حث لإحداث شرارة على جهد كهربائي عال لإشعال خليط الهواء والوقود داخل اسطوانات المحرك.
ويمكن إعادة شحن البطارية أثناء العمل باستخدام أداة لتوليد الكهرباء مثل مولد كهربائي أو مولد ترددي يعمل على المحرك.
وتأخذ محركات الجازولين خليط الهواء والوقود وتضغطه إلى أقل من 185 رطل للبوصة المربعة (12,75 بار) وتستخدم شمعة الإشعال (البوجي) لإشعال الخليط عندما يتم كبسه من خلال رأس المكبس في كل اسطوانة.
عملية إشعال الديزل
تعتمد أنظمة إشعال الديزل، مثل الموجودة في محركات الديزل ومحركات HCCI اعتمادا كليا على الحرارة والضغط الذين يحدثهما المحرك خلال عملية الكبس من أجل الإشعال. ويكون الكبس الذي يحدث هنا عادة أعلى مما يحدث في محركات الجازولين بثلاثة أضعاف.
تقوم محركات الديزل بسحب الهواء فقط، وقبل الوصول لذروة الكبس، يتم رش كمية صغيرة من وقود الديزل في الاسطوانة من خلال حاقن للوقود يسمح للوقود بالاشتعال على الفور.
أما محركات HCCI فهي تسحب الهواء والوقود معا ولكن تظل معتمدة على الاحتراق الذاتي بدون مساعدة وذلك نظرا لارتفاع الضغط والحرارة بها.
وهذا هو السبب الذي يجعل محركات الديزل ومحركات HCCI أكثر عرضة لمشاكل البدء في درجات الحرارة المنخفضة، إلا أنها بمجرد أن تبدأ العمل عند درجات الحرارة تلك، فسوف تعمل بشكل جيد أيضا.
وأغلب محركات الديزل بها بطاريات وأنظمة للشحن، إلا أن هذا النظام يعد ثانويا ويضيفه المصنعون كنوع من الرفاهية لتسهيل البدء وللتحكم في الوقود (الأمر الذي يمكن القيام به من خلال دائرة توصيل أو أداة ميكانيكية)، ولتشغيل المكونات الكهربية المساعدة والكمالية.
إلا أن أغلب المحركات الجديدة تعتمد على الأنظمة الكهربية التي تتحكم أيضا في عملية الاحتراق من أجل زيادة الفعالية وتقليل الانبعاثات.
رد مع اقتباس