الواجب المنزلي (19 - 10 - 2010م)
1:04 م | 
مرسلة بواسطة
أ.ندى الخروصي |
آلة الإحتراق الداخلي
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.
تاريخ نشأة محرك الاحتراق الداخلي وتطوره
لم يكن لدى محركات الاحتراق الداخلي الأولى عملية الكبس، ولكنها كانت تعمل بخليط من الهواء والوقود الذي يتم شفطه أو نفخه إلى الداخل أثناء الجزء الأول من شوط الإدخال. أما أبرز الفروق بين محركات الاحتراق الداخلي المعاصرة والتصميمات الأولى فهو استخدام الكبس، وبالأخص الكبس داخل الاسطوانة.
• 1206: قام الجزري بوصف طلمبة ذات مكبس ترددي ثنائي ذي شوطين متصلة بآلية تتكون من عمود الكرنك مع قضيب التوصيل.
• 1509: قام ليوناردو دافنشي بوصف محرك ليس به عملية الكبس.
• 1673: قام كريستيان هويجنز بوصف محرك ليس به عملية الكبس.
• القرن السابع عشر استخدم المخترع الإنجليزي السير صمويل مورلاند البارود لتشغيل طلمبات المياة، ليكون أساسا هو الذي أنشأ أولى المحركات البدائية للاحتراق الداخلي.
• ثمانينات القرن الثامن عشر: أنشأ ألساندرو فولتا مسدسا كهربيا لعبة، كان يعمل على أساس إحداث شرارة كهربية تؤدي لتفجير خليط من الهواء والهيدروجين، مما يطلق سدادة من الفلين من فوهة المسدس.
• 1794: قام روبرت ستريت بإنشاء محرك ليس فيه عملية الكبس، لتظل الطريقة الأساسية لعمله هي السائدة لنحو قرن من الزمان.
• 1806: أنشأ المهندس السويسري فرانسوا إيزاك دو ريفاز محركا للاحتراق الداخلي يعمل بخليط من الهيدروجين والأكسجين.
• 1823: قام صمويل براون بتسجيل براءة اختراع أول محركات الاحتراق الداخلي التي تم تنفيذها على المستوى الصناعي. وكان هذا المحرك بدون عملية الكبس وكان قائما على ما أسماه هاردنبرج "دورة ليوناردو"، والتي كانت كما يوحي الاسم قد عفا عليها الزمن في ذلك الوقت.
• 1824: أثبت العالم الفيزيائي الفرنسي سادي كارنوت نظريته في الديناميكا الحرارية حول الصورة المثالية للمحركات الحرارية. وقد أثبتت هذه النظرية علميا الحاجة للكبس من أجل زيادة الفرق بين درجات حرارة تشغيل المحرك العظمى والصغرى.
• 1826- الأول من أبريل: حصل المخترع الأمريكي صمويل موري على براءة اختراع عن محرك يعمل بالغاز أو بالبخار بدون كبس.
• 1838: حصل المخترع الإنجليزي ويليام بارنيت على براءة اختراع. وكانت هذه هي أول الاقتراحات بإحداث عملية الكبس داخل الاسطوانة.
• 1854: سجل المخترعان الإيطاليان يوجينيو بارسانتي وفيليتشي ماتويتشي براءة اختراع لأول المحركات الفعالة التي تعمل بنظام الاحتراق الداخلي (رقم براءة الاختراع 1072)، ولكن لم يدخل هذا المحرك في حيز الإنتاج. وكان المحرك شبيها في فكرته الأساسية بمحرك أوتو لانجن غير المباشر، ولكنه لم يتم العمل عليه بالتفصيل.
• 1856: أما في فلورنسا في مسابك بينيوني (وهي الآن نووفو بينيوني، وهي شركة تابعة لشركة جنرال إليكترك)، فقد نفذ بييترو بينيني نموذجا صناعيا يعمل بالفعل لمحرك بارسانتي-ماتويتشي، وبلغت قدرته 5 حصان. وفي السنوات اللاحقة قام بتطوير محركات أكثر قوة ذات مكبس أو اثنين، والتي كانت ذات قدرة ثابتة واستخدمت في بعض المجالات التي حلت فيها محل المحركات البخارية.
• 1860: أما المخترع البلجيكي جون جوزيف إتيان لونوار (1822-1900) فقد أنتج محركا للاحتراق الداخلي يعمل باحتراق الغازات ويشبه في مظهره المحرك البخاري الأفقي ثنائي الشوط بوجود الاسطوانات والمكابس وقضبان التوصيل ودولاب الموازنة (الحدافة) (flywheel) وكان وجه الاختلاف أساسا هو إحلال الغاز محل البخار. وكان هذا هو أول محركات الاحتراق الداخلي التي تم إنتاجها بكمية.
• 1862: قام المخترع الألماني نيكولاوس أوتو بتصميم محرك ذي مكبس حر ويتحرك في أشواط بشكل غير مباشر بدون حدوث عملية الكبس، وقد تميز هذا المحرك بفعاليته العالية مما أكسبه مساندة منطقة لانجن في ألمانيا ثم بعد ذلك أغلب السوق، والذي كان في ذلك الوقت تغلب عليه المحركات الصغيرة الثابتة التي يتم تشغيلها بغاز المصابيح.
• 1870: في فيينا، قام زيجفريد ماركوس بوضع أول محرك متحرك يعمل بالجازولين على عربة يد.
• 1876: قام نيكولاوس أوتو بالتعاون مع غوتليب دايملر وفيلهلم مايباخ بتطوير محرك عملي ذي أربعة أشواط (قائم على دورة أوتو). ولكن المحاكم الألمانية مع ذلك لم تعتبر براءة الاختراع هذه شاملة لكل المحركات التي يحدث فيها الكبس داخل الاسطوانة أو حتى ذات الأربعة أشواط، وبعد هذا القرار أصبح الكبس داخل الاسطوانة منتشرا عالميا.
• 1876: تمكن المخترع الأمريكي صمويل موري من صنع النموذج الأولي لمحرك احتراق داخلي بإحداث عملية الكبس داخل الاسطوانة وتعددية الاشواط، الذي فتح افاقا جديدة لصناعة محركات الاحتراق الداخلي من خارج ألمانيا والقارة الاوروبية, فيما بعد انضم وجون جوزيف المخترع البلجيكي إلى شركة دوزونبيرغ الأمريكية Duesenberg لصناعة السيارت
• 1879: حصل كارل بنز الذي كان يعمل بشكل مستقل على براءة اختراع لمحرك الاحتراق الداخلي الذي اخترعه، وكان عبارة عن محرك ذي شوطين قائم على تصميم نيكولاوس أوتو للمحرك ذي الأربعة أشواط. وفيما بعد، قام بنز بتصميم وإنشاء محركه ذي الأربعة أشواط والذي كان مستخدما في سياراته، التي أصبحت أول السيارات التي تدخل في حيز الإنتاج في المانيا.
• 1882: اخترع جيمس أتكينسون المحرك الذي يقوم على دورة أتكينسون. وكان محرك أتكينسون به مرحلة واحدة يعطي فيها القدرة لكل دورة، هذا بالإضافة إلى الاختلاف في الأحجام عند الإدخال وعند التمدد، مما جعله أكثر فاعلية من دورة أوتو.
• 1891: أما هربرت أكرويد ستيوارت فقد أنشأ محركه الذي يعمل بالبترول وقد أعطى حقوق الاختراع لشركة هورنسبي في إنجلترا لتصنيعه. وقاموا هناك ببناء أول المحركات التي تبدأ تشغيلها على درجة الحرارة الباردة والتي بها عمليات الكبس والإشعال. وفي عام 1892، قاموا بتركيب أوائل المحركات في إحدى محطات طلمبات المياة. وفي نفس العام، تم عمل محرك تجريبي يعمل على ضغط أعلى بحيث يكون الإشعال فيها مستمرا بشكل ذاتي من خلال الكبس فقط.
• 1892: قام رودلف ديزل بتطوير محركه الحراري القائم على نظرية كارنوت والذي يعمل بإحراق تراب الفحم.
• 1893 فبراير 23: حصل رودلف ديزل على براءة اختراع عن محرك الديزل الخاص به.• 1896: قام كارل بنز باختراع محرك بوكسر والذي يعرف أيضا بالمحرك المتباين أفقيا والذي تصل فيه المكابس المتناظرة إلى مركز المحرك في نفس الوقت.
• 1900: قام رودلف ديزل بعرض محرك الديزل في المعرض العالمي في عام 1900 باستخدام زيت الفول السوداني (انظر الديزل الحيوي).
• 1900: قام فيلهيلم مايباخ بتصميم محرك تم إنشؤه في شركة دايملر للمحركات، متبعا مواصفات إميل جيلينيك، والذي اشترط تسمية المحرك دايملر مرسيدس على اسم ابنته. في عام 1902 بدأ إنتاج السيارات التي تعمل بهذا المحرك لدى شركة دايملر للمحركات.
• 1908: في نيوزيلاندة بدأ المخترع إرنست جودوارد مشروعا تجاريا لإنتاج الدراجات النارية في إنفركارجيل، حيث قام باستخدام دراجات مستوردة وركب عليها اختراعه- جهاز لترشيد استهلاك البنزين. وقد عملت هذه الأجهزة بنجاح في السيارات أيضا كما في الدراجات النارية.
تطبيقات عمليةتستخدم 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 التشغيل
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 المصمة 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.
الحرارة ودرجة الحرارة
جيمس وات
مخترع اسكتلندى أعطى للعالم إحدى أعظم الآلات في التاريخ ( محرك بخارى المكثف) التي فجرت الثورة الصناعية ، ولم يكن وات أول من اخترع الآلة البخارية، فقد سبقته محاولات كثيرة من قبله، لكن تلك الآلات السابقا كانت ضعيفة الجهد بدرجة أنهم كانوا يستخدمونها فقط في ضخ الماء من المناجم، وتشارك وات مع المهندس الإنكليزي ماثيو بارلتون وعمل الاثنان في إنشاء معمل لتصنيع مخترعات وات ومن اكتشافاته الأخرى المقياس المائي والعنفة البحرية والناظم النابذ لتنظيم سرعة المحرك.
ولقد كانت الآلة البخارية ذروة الثورة الصناعية لا ثمرة لها تماماً. ولا داعي للرجوع بالذاكرة إلى هيرو الإسكندري ،
لأن دنتن بابين وصف جميع مكونات ومبادئ آلة بخارية عملية في عام 1690. ثم صنع توماس سافرى مضخة يديرها البخار ثم طورها تومس نيوكومن (1708-12) إلى آلة يكثف فيها تيار متدفق من الماء البارد البخاري المولد من الماء المحمي، ويدفع فيها بالتناوب ضغط الهواء كباساً إلى أعلى وأسفل؛ هذه "الآلة الهوائية" ظلت الآلة القياسية حتى حولها جيمس وات لآلة بخارية حقيقية في 1765. وكان وات بخلاف معظم مخترعي ذلك الجيل طالباً كما كان رجلاً عملياً. كان جده معلم رياضيات، وأبوه معمارياً وبناء سفن وقاضياً في بلدة جرينوك في جنوب غربي إسكتلندة. ولم يحظ جيمس بتعليم جامعي، ولكنه كان ذا تطلع خارق واستعداد ميكانيكي.
وحين بلغ وات العشرين (1756) حاول أن يبدأ عمله في جلاسجو صانعاً للأدوات العلمية. أبت عليه نقابات حرف المدينة الرخصة بحجة أنه لم يكمل التلمذة كلها، ولكن جامعة جلاسجو أعطته ورشة داخل أرضها. واختلف إلى محاضرات الكيمياء التي يلقيها جوزيف بلاك، وكسب صداقته ومساعدته، واهتم خاصة بنظرية بلاك في الحرارة الكامنة.
ثم تعلم الألمانية والفرنسية والإيطالية ليقرأ الكتب الأجنبية بما فيها كتب الميتافيزيقا والشعر. وقد راع السير جيمس روبيسون تنوع معلوماته، وكان يعرفه في تلك الآونة (1758)، فقال "رأيت صانعاً ولم أتوقع أكثر من هذا، ولكني وجدت فيلسوفاً".
وفي 1763 طلبت إليه الجامعة أن يصلح نموذجاً من آلة نيوكومن كان يستعمل في تدريس الفيزياء.
وأدهشته أن ثلاثة أرباع الحرارة التي تمد بها الآلة تضيع هباء، فبعد كل ضربة كباس تفقد الأسطوانة الحرارة من جراء استعمال الماء البارد لتكثيف كمية البخار الجديدة التي تدخل الأسطوانة، فقد كان قدر كبير من الطاقة يتبدد حتى حكم أكثر أصحاب المصانع بأن الآلة غير مجزية. واعتزم وات تكثيف البخار في وعاء منفصل لا تؤثر درجة حرارته المنخفضة في الأسطوانة التي يتحرك فيها الكباس. وزاد هذا "المكثف" كفاءة الآلة في نسبة الوقود المستعمل إلى العمل المؤدي قرابة ثلاثمائة في المائة. ويضاف إلى هذا أن الكباس بفضل إصلاح وات للآلة أخذ يحركه تمدد البخار لا الهواء؛ لقد صنع وات آلة بخارية لا مراء فيها.
أما الانتقال من الخطط والنماذج إلى التطبيق العملي فقد أفنى اثني عشر عاماً من حياة وات. ولكي يصنع عينات ويحدث تحسينات متعاقبة في آلته اقترض أكثر من ألف جنيه، وأكثرها من جوسيف بلاك ، الذي لم يفقد إيمانه به قط. وتنبأ جون سميتن، وكان هو نفسه مخترعاً ومهندساً، بأن آلة وات لا يمكن "تعميم استعمالها أبدأ لصعوبة تصنيع أجزائها بالدقة الكافية"، وفي 1765 تزوج وات، وكان عليه أن يكسب مزيداً من المال، فنحى اختراعه وعكف على أعمال المساحة والهندسة، فرسم تصميمات الثغور والكباري والقنوات. وخلال ذلك قدمه لاك إلى جون روبك الذي كان يبحث عن آلة أكثر فاعلية من آلة نيوكومن لضخ الماء من مناجم الفحم التي تمد بالوقود مصانع الحديد التي يملكها في كارون. وفي 1767 وافق على أن يدفع ديون وات ويزوده برأس المال اللازم لصنع آلات طبق مواصفات وات، وذلك لقاء ثلثي الأرباح التي تتحقق من التركيبات أو المبيعات. ورغبة في حماية استثمارهما طلب وات في 1769 إلى البرلمان براءة اختراع تعطيه دون غيره حق إنتاج آلته، فمنح البراءة حتى عام 1783. وأقام هو وروبك آلة بخارية قرب أدنبره، ولكن صنعة الحدادين الرديئة تسببت في فضلها؛ وفي بعض الحالات كانت الأسطوانات التي صنعت لوات أكبر في قطرها ثمن بوصة في طرف منها في الآخر.
وباع روبك نصيبه في الشركة إلى ماثيو بولتن (1773) بعد أن فتت النكسات في عضده. وبدأ الآن ارتباط ملحوظ في تاريخ الصداقة كما هو ملحوظ في تاريخ الصناعة. ذلك أن بولتني لم يكن مجرد إنسان يجري وراء الربح، فلقد بلغ اهتمامه بتحسين طرائق الإنتاج وميكانيكياته حداً أفقده ثروته في هذا سبيل. ففي 1760 تزوج وهو في الثالثة والثلاثون من أرملة غنية، وكان في وسعه أن يتقاعد ويعيش على دخلها، ولكنه بدلاً من هذا بنى في سوهو قرب برمنجهام مصنعاً من أكبر مصانع إنجلترا، يقوم بصنع أنواع كثيرة من الأدوات المعدنية من مشابك الأحذية إلى الثريات. وكلن يعتمد على القوة المائية لتشغيل الآلات في مباني مصنعه الخمسة ثم اعتزم أن يجرب قوة البخار. وكان على علم بأن وات أثبت عدم كفاية آلة نيوكومن، وأن آلة وات فشلت بسبب الأسطوانات التي ثقبت بغير دقة، فغامر مغامرة محسوبة مفترضاً أن هذا العيب يمكن التغلب عليه. وفي 1774 نقل آلة وات إلى سوهو، وفي 1775 لحق به وات. ومد البرلمان أجل البراءة من 1783 إلى 1800.
وفي 1775 أخترع كبير الحدادين ولكنسن قضيب ثقب أسطوانياً مجوفاً مكن بولتن ووات من إنتاج آلات ذات قوة وكفاية لم يسبق لهما نظير، وسرعان ما أخذت الشركة الجديدة تبيع الآلات البخارية لأصحاب المصانع والمناجم في طول بريطانيا وعرضها. وقد زار بوزويل سوهو في 1776 وكتب يقول: "لقد تفضل على مستر هكتور بمرافقتي لرؤية مصانع مستر بولتن الكبرى… ووددت لو كان جونسن معنا، لأنه كان مشهداً كان يسرني أن أتأمله على ضوء علمه. ولقد كانت ضخامة بعض الآلات وتعقدها خليقة بأن تكون تقريعاً لعقله الجبار. ولن لأنسى ما حييت عبارة مستر بولتن التي قالها لي "إنني يا سيدي أبيع هنا ما يريد العالم كله أن يملكه-القوة المحركة". وكان يشتغل بمصنعه نحو سبعمائة نفس. وقد رأيت فيه "زعيم قبيلة حديدياً، وبدا أنه أب لقبيلته".
على أن آلة وات البخارية كانت لا تزال ناقصة، وقد جاهد على الدوام لتحسينها. ففي 1781 سجل اختراعاً تحول فيه حركة الكباس المتناوبة إلى حركة دوارة، مما جعل الآلة البخارية صالحة لإدارة المكنات العادية. وفي 1782 سجل آلة بخارية ثنائية العمل، يتلقى فيها طرفا الأسطوانة دفعين من الغلاية والمكثف. وفي 1788 سجل اختراع "ضابط على شكل بلية طيارة" ينظم تدفق البخار ليزيد من السرعة المتماثلة في الآلة. وخلال سنوات التجريب هذه كان مخترعون آخرون يصنعون آلات منافسة، وكان على وات أن ينتظر حلول عام 1783 حتى تسدد مبيعاته ديونه وتبدأ في أن تؤتي ثمراتها. فلما انتهت فترة براءته اعتزل العمل النشيط، وواصل العمل في شركة بولتن ووات أبناؤهما. وتسلى وات بالاختراعات الصغيرة، واستمتع بشيخوخة رضية، ومات 1819 وقد بلغ الثالثة والثمانين.
أدخل تحسينات أساسية عام 1765 م على آلة نيوكومن البخارية مما أدى إلى انتشار استخدام الطاقة البخارية في كثير من المصانع.
