المحرك تاريخ وطريقة عمل ومبادئ

أنواع المحركات

من أشهر محركات الإ حتراق:

• محرك ديزل
• محرك أوتو
• محرك ستيرلينغ
• محرك الاحتراق الداخلي
• المحرك البخاري

و عادة ما نجدها في ميدان تحريك الآلات و خاصة النقل كالسيارات والسفن. و توجد محركات أخرى لا تولد الحركة عن طريق إحراق الوقود مثل المحرك كهربائي

تاريخ المحركات

طريقة عمل محرك الاحتراق الداخلى الرباعى الاشواط. المحرك طرق عملة تتكون من اربع اشواط 1- الشوط الاول وهو(شوط السحب)ويكون البستون في وضع النزول لاسفل. 2- الشوط الثانى وهو(شوط الضغط )ويكون البستون في وضع الصعود. 3- الشوط الثالث وهو(شوط الطاقة)ويكون البستون وضع النزول لاسفل. 4- الشوط الرابع وهو(شوط الطرد)ويكون البستون في وضع الصعود.
1-شوط السحب؛يقوم البستون بسحب المخلوط الذى يتكون من الهواء والبنزين. 2-شوط الضغط؛يقوم البستون بضغط المخلوط لاعلى لاقصى درجة.د 3-شوط الطاقة؛تقوم شمعة الشرر باشعال المخلوط ينتج عن ذلك انفجار المخلوط ويقوم بدفع البستون لاسفل بقوة. 4-شوط الطرد؛يقوم البستون بطرد نواتج الاحتراق خارج الاسطوانة. وتتكرر هذة العملية بترتيب معين للاسطوانات وعلى حسب عددالاسطوانات وشكل المحرك كذلك تكون طريقة عمل المحرك الرباعى الاشواط بأختصار.

محرك و طريقة الديزل برؤية التحريك الحراري
يعتبر محرك الديزل من محركات الاحتراق الداخلي حيث يقوم بتحويل الطاقة الكيميائية الكامنة في وقود (زيت الغاز)الى طاقة حركية. أول من اخترع المحرك الديزل هو رودولف ديزل في عام 1892 و الهدف من وراء هذا الإختراع هو إيجاد محرك ذو كفاءة أعلى من كفاءة محرك البنزين. وتأتي الزيادة في الكفاءة من إرتفاع نسبة االضغط (compresses ratio) في محركات الديزل حيث تتراوح ما بين 1:14 إلى 1:25 أما البنزين فيتراوح ما بين 1:8 إلى 1:12 و كما هو معروف أن كفاءة المحرك تتناسب طرديا مع نسبة االضغط.
يمكن تفسير كيفية عمل محرك الديزل إستناداً إلى الترموديناميكا التي تصف عملية الديزل (Diesel Process) على النحو التالي:

1. يتم ضغط الغاز تحت ظروف إيزونتروبية أي أن الغاز يضغط دون تبادل للحرارة مع المحيط الخارجي للآلة الضاغطة(النظام).
2. إضافة حرارة للمنظومة مع الإحتفاظ بنفس الضغط (isobaric).
3. تمدد الغاز إيزونتروبيا.
4. إخراج الحرارة من الآلة الضاغطة مع المحافظة على نفس الحجم.

البنية الميكانيكية لمحرك الديزل

يتكون المحرك من مجموعه من المكابس تتناوب في حركة إزاحة ذهابا وإيابا من أجل إدارة عمود ( الكرنك ) وبذلك تتولُّد حركة دورانية من حركه ترددية منتظمة.

• شرح كيفية عمل الكباس الواحد

1. يهبط الكباس في الاسطوانه المحكمة الغلق علية ليسحب الهواء ويملاء به الفراغ داخل الأسطوانة.
2. حين صعود الكباس يقوم بضغط الهواء كلما اقترب من أعلى الأسطوانة.
3. وعند مكان معين من صعوده يتم حقن الديزل اللازم للإشتعال.
4. تحت الضغط العالي والحرارة الكافية مع وجود وقود يحدث احتراق قوي كاف لدفع الكباس إلى أسفل الأسطوانة.
5. يتصل الكباس بوصلات وأجزاء ميكانيكية، تساعد ميكانيكيتها على دوران عمود الكرنك المطلوب دورانه في تحريك القطع الأخرى.

1. دورة المحرك:

تتكون دورة المحرك من أربع مراحل هي: 1/ السحب. 2/ الانضغاط. 3/ الإشتعال أو الإحتراق. 4/ العادم.

ميزات و مساوئ محرك ديزل

1. ذو كفاءة عالية مقارنة بمحرك البنزين. لنفس حجم المحرك يكون محرك الديزل ذو قدرة و عزم دوران أعلى من محرك البنزين..
2. يعتبر وقود الديزل ذو تكلفة منخفضة مقارنة بباقي أنواع الوقود كما أن الطاقة الكامنة فيه أعلى من الطاقة الكامنة في وقود البنزين.
3. إن نسبة الضغط العالية في محركات الديزل والتي تصل إلى 1:25 يجبر المصمم على زيادة حجم ووزن المحرك مما يؤدي إلى غلاء محركات الديزل نسبيا.
4. تستخدم محركات الديزل بكثرة في المعدات التي تحتاج قدرة وعزماً عاليين، على سبيل المثال مولدات الكهرباء الضخمة والآليات الكبيرة، لأن الكتلة الكبيرة لمحركات الديزل تجعل تعجيل التسارعي للمحرك قليلا مقارنة بمحرك البنزين مما يقلل من رغبة في استخدامها في السيارات الصغيرة.

محرك أوتو

محرك أوتو

محرك أوتو هو مصطلح يستعمل للدلالة على محرك احتراق داخلي الذي يتم فيه إشعال خليط الوقود والهواء بواسطة شرارة. يختلف هذا المحرك عن محرك الديزلالذي تتم عملية الإشعال فيه نتيجة للضغط. قد يكون المحرك ذو مشواران (شوطان) أو ذو أربعة مشاوير (أشواط).

الشوط الأول: ( مشوار السحب )
حيث يتحرك المكبس من الأعلى إلى الأسفل, ويكون صمام السحب مفتوحاً حيث يسمح بدخول الخليط المكون من البترول والهواء, إلى حجرة المحرك, – وهناك إختلاف في طرق التي يتم فيها تكوين الخليط, وأما الطريقة الحديثة ففيها يقوم المكبس بسحب الهواء فقط من النطاق الخارجي ماراً بمنقيات ومصافي ( فلاتر ) بينما تقوم البخاخات بنثر الهواء بشكل جزيئات في انبوب السحب, وبذلك يتكون الخليط.
وينتهي شوط السحب بوصول المكبس إلى النقطة الميتة السفلى, أي نهاية الشوط الذي يتحرك المكبس فيه ضمن الاسطوانة.
الشوط الثاني: ( شوط الضغط )
وبهذا المشوار, يتحرك المكبس من النقطة الميتة السفلى ( التي كان قد وصلها في نهاية شوط السحب ) إلى النقطة الميتة العليا, وهي أعلى نقطة ممكن أن يصلها المكبس ضمن الاسطوانة, ضاغطا بذلك الخليط ورافعاً درجة حراراته نتيجة الضغط, مع الملاحظة بأن الصبابان في حالة الضغط يكونا مغلقين.
وفي نهاية شوط الضغط أي عند وصول المكبس إلى النقطة الميتة العليا, تنطلق الشرارة من شمعة الاشعال, المبينة صورتها بين الصبابين. ليبداً بذلك شوط القدرة.
– الشوط الثالث: ( شوط القدرة )
– عند وصول المكبس إلى النقطة الميتة العليا تقوم شمعة الاشعال بإرسال الشرارة, بتوقيت وقوة معينتين مفجرة بذلك الخليط المكون من البترول والهواء, والذي قد ضغط ورفعت درجة حرارته نتيجة لحركة المكبس في مشوار الضغط كما أسلفنا سابقا. ونتيجة للضغط وتوفر العوامل التالية ( هواء + بترول + ضغط وفي النهاية شرارة ) فيحدث الاشعال الذي ينتقل بسرعة بين جزيئات الخليط مولداً قوة ضغط كبيرة مؤثرة على سطح المكبس فتقوم بدفعه إلى الأسفل أي من النقطة الميتة العليا إلى النقطة الميتة السلفلى, وهذا الشوط يسمى بالشوط الفعال, أو شوط القدرة لأن المجرك يعتمد في عمله على القوة التي يولدها شوط القدرة,
– الشوط الرابع: ( شوط العادم )
يبدأ هذا الشوط بإنتهاء شوط القدرة, حيث يرتفع المكبس من النقطة الميتة السفلى إلى النقطة الميتة العليا, مع فتح صباب العادم سامحاً بخروج العادم المتولد عن احتراق الخليط, طارحاً إياه إلى الهواء الخارجي.
وبذلك نكون قد اتتمنا عملة الاحتراق كاملة في المحرك.
ربما سيطرح السؤال نفسه: من أين اتت حركة المكابس في الأشواط الثلاثة غير شوط القدرة, والجواب هو أن المحرك الذي قد أسلفت في شرحه هو من أربعة اسطوانات. أي انه دائماً تكون احد المكابس في حالة قدرة والثلاثة الأخرى, في سحب وآخر في عادم وآخر في ضغط.
– وهذه الدورة تكون في المحركات رباعية الأشواط, وهناك محركات مزدوجة الأشواط سنقوم بإستعراضها لاحقاً.

الأسس الترمودينامكية

الأشواط الأربعة في محرك إحتراق داخلي

الأسس الترموديناميكية في محركات الإحتراق الداخلي تنقسم ترتكز على ثلاث قيم حرارية متغيرة و هي: الحجم و الضغط و الحرارة. كل من هذا المتغيرات لها تأثير على القيمتين الأخريتين،و بهذا يتبع التأثير على الطاقة الحرارية المتوفرة في المحرك. بشكل عام، يمكن القول أنه عندما يصغر حجم الغاز المكبوس يزيد ضغطه، فترتفع حرارته. إذن يتم استخدام الطاقة الحرارية لتوليد طاقة حركية بأن يتم تغيير الحالة الطاقية للغاز الموجود في أنبوب المحرك، و ذلك من خلال التحكم بالتغيرات التالية:

• الإرتفاع أو الهبوط بحرارة الخليط
• الإرتفاع أو الهبوط بحجم الخليط
• الإرتفاع أو الهبوط بضغط هذا الخليط

من خلال الأشواط الأربعة الحاصلة، تحدث أربع تغيرات ترموديناميكية بفعل العمليات التالية:
1. عملية الضغط
المكبس يتحرك إلى فوق في حين أن الصمامات مغلقة. و بهذا:

• ينخفض حجم الخليط المكبوس
• ترتفع حرارة الخليط
• و يزيد ضغطه

مما يجعل من الخليط، مادة قابلة للإنفجار. هنا يحصل النظام الحراري على “”الشغل”” الناتج عن الضغط.
2. عملية الإنفجار و زيادة الحرارة

• هنا تقوم شمعة الإشتعال بحرق الخليط المضغوط، مما يؤدي إلى إنفجاره. و بهذا:
• يبقى الحجم ثابتا خلال لحظة الإشتعال، كون الإنفجار يحصل بسرعة كبيرة تقرب المالانهاية.
• تزيد الحرارة بشكل مرتفع جدا. هنا يحصل النظام على الطاقة الحرارية التي ستتحول فيما بعد إلى طاقة حركية

3. عملية التمدد
هنا يندفع المكبس إلى الأسفل بفعل الإنفجار، و يهذا:

• يرتفع حجم الغاز الناتج عن إحتراق الخليط.
• يهبط الضغط مع فتح صمام العادم عند وصول المكبس إلى النقطة السفلى

هنا يحصل النظام الحراري على الشغل الناتج عن دفع الإنفجار للمكبس إلى الأسفل.
4. عملية التخلّص الحراري
مع فتح صمام العادم:

• تنفذ الحرارة إلى الخارج
• يتم إخراج الغاز العادم من الأنبوب و بهذا يقل حجم الأنبوب و تنخفض حرارته.

محرك إحتراق داخلي ذو شوطين

صورة محركة تبين طريقة عمل المحرك ذو شوطين

يأتي اسم هذا النوع من المحركات لكون طريقة حركتها تتألف من مشوارين للمكبس لأجل إتمام الأشواط الأربعة مقارنة مع محركات الأوتو ذو الأربع مشاوير حيث يتم كل شوط بمشوار. و يسمى هذا النوع من المحركات أيضا بالمحرك بلا صمام، لعدم استخدام الصمامات فيه.
الميزات

• صغر الحجم لبساطة التصميم
• الوزن الخفيف بفضل الإستغناء عن الصمامات و توابعها. هنا يقوم المكبس بتنظيم دخول و خروج الخليط.
• يحصل الإشتعال عند كل مشوار للمكبس. مما يسرع حركة دوران المحرك.
• طريقة عمله تؤمن له مجالات استخدام أوسع حيث تكون الوضعية الأفقية أو المائلة لازمة. (منشار كهربائي، دراجة نارية جبلية)
• كلفة تصنيع منخفضة.
• يتم مزج الزيت بمادة الإحتراق، مما يزيد من إرتفاع نسبة الغازات السامة المنبعثة من المحرك.

تطبيقات لمحرك ذو شوطين
منشار كهربائي، دراجات نارية، سيارات صغيرة، سيارات سكارت، سكووتر..

محرك ستيرلينغ

محرك ستيرلينغ، يعرف أيضا بمحرك الهواء الساخن ، إخترعه روبرت ستيرلنغ عام 1816 بتحسينه من تصميمات سابقة واخرج أول براءة إختراع به.

الأسس النظرية الترمودينامكية

يمكن تفسير كيفية عمل محرك ستيرلينغ إستنادا إلى الترموديناميكا التي تصف عملية الستيرلينغ (Stirling Process) على النحو التالي:

1. يقع ضغط الغاز مع المحافظة على نفس درجة الحرارة (isotherm) و في نفس الوقت هناك تبادل حراري مع المحيط حيث يتم إخراج كمية حرارية من النظام(هنا يجب الإنتباه إلى عدم الخلط بين مفهوم الحرارة temperature التي هي متغير حالي و ما سميناه الكمية الحرارية التي هي متغير عملياتي أي لا يتمظهر إلا عند عملية التحول من حالة لأخرى)
2. مع المحافظة على حجم الغاز يقع إدخال كمية حرارية إلى الغاز
3. يقع تمدد الغاز مع المحافظة على درجة الحرارة و إضافة كمية حرارية للنظام
4. المحافظة على حجم الغاز مع إخرج كمية حرارية

محرك الاحتراق الداخلي

إنّ محرّكَ الإحتراقِ الداخليِ هو محرك حراري يحصل فيه إحتراق الوقود للحصول على شغل يَحْدثُ الاحتراق في حيز يسمّى بغرفة الإحتراقِ و بعبارة اخرى محرك الاحتراق الداخلي يحول الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى شغل. يولد هذاالاحتراق ردِّ فعل الحراريِ ناتج من تمدد خليط الوقود مع الهواء داخل غرفة الاحتراق هذا التمدد ناتج عن احتراق خليط الوقود مع الهواء مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخليط و زيادة هائلة في ضغط الغازات الموجودة في غرفة الاحتراق .هناك عدة انواع من محركات الاحتراق الداخلي مثل المحرك التردديِ، محرك دوّار، محرك النفاث (Jet engine ).
الفرق بين محرك الاحتراق الداخلي و الإحتراقِ الخارجي هو ان محرك الاحتراق الخارجي يحدث فيه احتراق الوقود في غرف خاصة تدعى(Combution chambers) و يتم نقل الطاقة المتولدة من الاحتراق بواسطة مائع إلى الحيز الذي يحدث فيه التمدد و انتاج الشغل، وغالبا ما يستخدم الماء كمائع لنقل الطاقة.
يعبر عن محرّك الإحتراقَِ الداخليَ (ICE). تصنف مكائن الاحتراق الداخلي إلى: -مكائن الاحتراق المتقطع و المثال على ذلك محركات الحركة الترددية التي غالبا ما تستخدم في السيارات
-محرّكات إحتراقِ مستمرةِ مثل المحركات النفّاثةِ التي تستخدم في طائرات و الصواريخِ.
تــاريـخ
1-غير – مضغوط
ليوناردودافينسي في 1509، وكرستيان هايغنس في 1673، وَصفَ محرّكاتَ الضغطِ الثابتةِ.
2-مضغوط
إنّ الإمتيازَ الأهمَّ بين محرّكاتِ الإحتراقِ الداخليةِ الحديثةِ والتصاميمِ المبكّرةِ إستعمالُ الضغطِ وبشكل خاص في ضغطِ الإسطوانةِ. نظرية الثرموداينميك للمحركات الحرارية المِثاليةِ أُسّسَ مِن قِبل سادي كارنوت في فرنسا في 1824. هذه المبرهنة العلمية هي الحاجةِ للضغطِ لزيَاْدَة الإختلافِ بين درجاتِ الحرارة العاملةِ العلياِ والأوطأِ، لَكنَّ ذلك لَيسَ واضحَاً لمصممي المحرّكِ ،كَانوا مدركون لهذا قبل استعمال الضغطِ عموماً. في الحقيقة هو لَرُبَما ضلّلَ المصممين الذين حاولوا مُحَاكاة دورةِ كارنوت في حين دورة كارنو كانت دورة مثالية ولا يمكن محاكاتها على أرض الواقع, فأصبحت مقياسا لجودة الدورة حيث تحسب نسبة مردود أي دورة إلى مردود دورة كارنو لمعرفة مدى فعاليتها .

المحرك البخاري

المحرك البخاري هومحرك يتستفيد خارجي حرارة الاحتراق التيمن الطاقة الحراريه الموجودة في الابخره تحويله إلى عمل ميكانيكي.

طريقة عمل المحرك البخاري الثلاثي

مصطلح المحرك البخاري قد يشير ايضا إلى كامل القاطره البخاريه والسكك الحديديه. بمحرك بخاري
محركات البخار استخدمت المحرك في محطات الضخ ، والقاطرات البخاريه سفن الجر المحركات البخاريه الشاحنات والسيارات الاخرى. انها اساسية إلى الثورة الصناعية ، وشاهد على نطاق واسع الاستخدام التجاري قيادة الآلات في المصانع والمطاحن ، على الرغم من ان منذ ذلك الحين حل محركات الاحتراق الداخلي والمحركات الكهرباءيه محل محركات البخار
التوربينات البخاريه تقنيا نوع المحرك البخاري ، لا تزال تستخدم على نطاق واسع لتوليد الكهرباء حوالي 86 ٪ من مجمل الطاقة الكهرباءيه في العالم تولدها استخدام التوربينات البخاريه.
المحرك البخاري يتطلب المرجل لتسخين الماء إلى بخار. توسع او انكماش يمارس قوة البخار على التوربينات المكبس او شفره ، الاقتراح الذي يمكن تسخيرها للعمل الذي انتقل العجلات الدافعه او غيرها من الآلات.
من مميزات المحرك البخاري ان اي مصدر الحراره يمكن أن تستخدم لزيادة البخار في المرجل ؛ ولكن الاكثر شيوعا هو سعير النار الحطب والفحم او النفط او الطاقة الحراريه المتولده في المفاعلات النووية.
جيمس واط

“جيمس وات” مخترع المحرك البخاري
الميلاد19 يناير 1736
جرينوك، أسكتلنداالوفاة19 اغسطس 1819
هيت فيلد، أسكتلندامخترع المحرك البخاري هو جيمس واط (1736 – 1819م) كان مهندس اسكتلندي ، ولد في غرينوك من أب كان يعمل في بالتجارة دون أن يحقق نجاحا . تلقى وات تدريبه عن صانع للأدوات في لندن ، ثم عاد إلى جلاسجو ليعمل في مهنته . وقد كان وات على علاقة صداقة قوية مع الفيزيائي جوزيف بلاك مكتشف الحرارة الكامنة ، وكان لهذه الصداقة الأثر الهام في توجيه وات إلى الاهتمام بالطاقة التي يمكن الاستفادة منها من البخار كقوة محركة وقد أجرى عدة تجارب للاستفادة من ضغط البخار . ثم وقع في يده محرك بخاري من طراز نيوكومن فاخترع له مكثفا وأجرى عليه بعض التعديلات والتحسينات مثل المضخة الهوائية وغلاف لاسطوانة البخار ومؤشر للبخار مما جعل المحرك البخاري آلة تجارية ناجحة . وقد أدعى وات اكتشاف تركيب المتاء قبل كافندش أو في نفس الوقت . وقد سميت وحدة القدرة الكهربية باسم واتتخليدا له . أسس وات بالاشتراك مع بولتون شركة هندسية هي شركة سوهو للأعمال الهندسية وقد أدهل الشريكان مصطلح وحدة القدرة الحصانية H.P)Horse Power) حيث كيلو وات1H.P = 0.746 .