محرك متردد
المحرك المتردد أو محرك المكبس هو محرك حراري يستخدم عدداً من المكابس الترددية لتحويل الضغط إلى حركة دورانية. تصف هذه المقالة السمات المشتركة لجميع أصنافه وهي: محرك الاحتراق الداخلي وتستخدم على نطاق واسع في السيارات، والمحرك البخاري الدعامة الأساسية للثورة الصناعية، ومحرك ستيرلينغ.
السمات الأساسية لجميع الأنواع
يحتوي كل محرك على مكبس واحد أو أكثر ويكون كل مكبس داخل أسطوانة، حيث يدخل الغاز فيها - إما وهو ساخن وتحت ضغط (كما في محرك البخار)، وإما وهو ساخن عن طريق الإيقاد في الهواء مع خليط الوقود (كما في محرك الاحتراق الداخلي) أو عن طريق الاتصال مع مبادل الحرارة الساخن في الاسطوانة (في محرك ستيرلينغ). تتمدد الغازات الساخنة وتدفع المكبس إلى أسفل الاسطوانة، ثم يعود المكبس إلى أعلى الأسطوانة (النقطة الميتة العليا) إما بواسطة حدافة وإما بوساطة قدرة مكابس أخرى متصلة بمحور الدوران نفسه. وتزال في هذا الشوط معظم الأنواع الغازات المتمددة (وتعرف باسم الغازات العادمة بعد الإحتراق) من الاسطوانة، باستثناء محرك ستيرلينغ الذي يسخن ويبرد الغاز نفسه بشكل متكرر.
في بعض التصميمات يعمل المكبس في كلا الاتجاهين داخل الاسطوانة، وفي هذه الحالة فهو يعطي تاثير حركي مزدوج.
في جميع أنواع المحرك الترددي، تتحول حركة المكبس الخطية إلى حركة دورانية عبر ذراع توصيل وعمود مرفقي، أو باستخدام swashplate (صفيحة مترددة تتحرك دورانيا)، وتضمن سلاسةَ الدوران حدافةٌ. وكلما زاد عدد اسطوانات المحرك الترددي قلت نسبة الاهتزاز أثناء عمله مما يؤدي إلى دوران سلس منتظم وبالتالي فإن قوة المحرك الترددي تتناسب مع مجموع الحجم الناتج من ازاحة مكابسه.
بسبب ارتفاع ضغط الغاز المحترق داخل الاسطوانات (فوق سطح المكابس)، يحتمل حدوث تسرب مما يقلل من كفاءة المحرك، ولهذا يجب وضع حاجز بين المكابس المنزلقة وجدران الاسطوانات. هذا الحاجز عبارة عن حلقات حول المكابس، مصنوعة من المعدن الصلب ومثبتة بقوة في اخدود دائري في رأس المكبس. تناسب الحلقات المكبس وتضغط بشكل معاكس لجدران الاسطوانة وبذلك يتشكل السد.
تصنف المحركات الترددية عادة حسب عدد الاسطوانات واتجاهها وإجمالي حجم الغاز المزاح بتحرك المكبس (Engine displacement وتقاس بالسنتيمتر المكعب أو اللتر). ففي محركات الاحتراق الداخلي مثلا التصاميم الأكثر شيوعا هي ذات مكبس واحد أو اثنين في العربات صغيرة الحجم مثل الدراجات النارية، في حين أن السيارات عادة ما يكون فيها بين أربعة وثمانية مكابس، اما القطارات والسفن فقد يكون لها عشرة اسطوانات أو أكثر. اما سعة هذه الاسطوانات فتتراوح بين 10 سم مكعب أو أقل في نماذج المحركات إلى عدة آلاف سنتيمترا مكعبا في محركات السفن.
و نسبة الضغط (Compression ratio) هي ما يستخدم عادة لقياس أداء محركات الاحتراق الداخلي ومحرك ستيرلينغ. وهي النسبة بين حجم الاسطوانة عندما يكون المكبس في الجزء السفلي الأقصى من الشوط، وحجمها عندما يصل المكبس لأعلى نقطة من الشوط.
الاسطوانات قد تكون متحاذية خطيا (يسمى وضعية V) أفقيا لتعاكس بعضها البعض، أو قطريا حول العمود المرفقي. المحركات ذات المكابس المتعاكسة يكون فيها كل مكبسين متعاكسين يعملان على طرفي نقيض من الاسطوانة نفسها، وهذه الوضعية تتكرر في ترتيبات مثلثية كالموجودة في Napier Deltic.كما أن بعض التصاميم تكون فيها الاسطوانات مصممة لتدور حول المحور، راجع المحرك الدوراني Rotary engine
الصمامات في المحركات البخارية ومحركات الاحتراق الداخلي مطلوبة للسماح بدخول وخروج الغازات في الوقت الصحيح في دورة المكبس. هي تعمل من الحدب (الكام cam) أو ذراع المحرك مدفوعة بمحور المحرك. في التصاميم الأقدم استخدم الصمام المنزلق (D) ولكن سرعان ما حلت مكانه تصاميم صمام المكبس وصمام بوبيت إلى حد كبير.
محركات الاحتراق الداخلي تعمل من خلال سلسلة من الأشواط التي تضيف وتزيل الغازات من وإلى الاسطوانة. هذه العمليات تتكرر دوريا. والمحرك يسمى ذو شوطان أو اربعة أو ستة اشواط اعتمادا على عدد الاشواط التي تستغرقه لإكمال دورة.
في بعض المحركات البخارية الاسطوانات قد تكون متفاوتة في الحجم وفيها تعمل الاسطوانة الأقل حملا على ضغط بخار أعلى. وهذا ما يدخل عبر واحدة أو أكثر من الاسطوانات وعلى نحو متزايد لاستخراج الطاقة من البخار عند ضغوط قليلة متزايدة باستمرار. وتسمى هذه المحركات بالمحركات المركبة.
لمحة تاريخية
من أوائل النماذج التي عرفت عن المحركات هي دوارة لحركة ترددية عثر عليها في عدد من الطواحين المسننة عند الرومان والتي يرجع تاريخها إلى القرن الثالث إلى السادس الميلادي وهي عبارة عن الية مكونة من كرنك وقضيب ربط تحول الحركة الدوارة لناعورة المياه إلى حركة الخطية في الريش المسننة[١] (saw blades)
ولكن المحرك المتردد بمبدئه الحالي اخترع في أوروبا خلال القرن 18th، أولاً كمحرك يعمل في ظروف الضغط الجوي atmospheric engine ثم لاحقا كمحرك بخاري. بعد ذلك محرك ستيرلينغ ومحرك الاحتراق الداخلي إخترعو في القرن 19th. اليوم الشكل الأكثر شيوعا من المحرك المتردد هو محرك الاحتراق الداخلي التي يعمل على حرق الغاز الطبيعي المسال أوالبنزين، أو الديزل ويستخدم لتشغيل موتورات المركبات.
واحد من أكثر المحركات المترددة تقدما والذي يتكون من 28 أسطوانة وذو 3،500 حصان (2610 كيلووات) هو صناعة برات آند ويتني ار 4360 "Wasp Major" وهو محرك مركزي يشغل الجيل الأخير من محركات الطائرات ذات البستونات الكبيرة التي وجدت قبل المحركات النفاثة والتوربيني في الفترة من 1944 فصاعدا. وقد كانت لديه أكبر قدرة إنتاجية لمحرك في الوقت الحاضر.
ولكن ليس الأكبر على الإطلاق، الأكبر هو Wärtsilä-Sulzer RTA96-C محرك الديزل توربوشارد ذو الشوطين الذي بنته شركة اليابان ديزل المتحدة المحدودة لعام 2006، وهي تستخدم لتشغيل أكبر سفن الحاويات الحديثة مثل Emma Mærsk.[٢] والتي يبلغ ارتفاعها خمسة طوابق، ولديها في أكبر إصدار منها 14 اسطوانة تنتج أكثر من 84.42MW)114،800 حصانا).
أنواع أخرى حديثة من المحرك المتردد غير محركات الاحتراق الداخلي
المحركات المترددة التي تعمل بواسطة الهواء المضغوط، والبخار أو غيرها من الغازات الساخنة لا تزال تستخدم في بعض التطبيقات مثلا لدفع العديد من الطوربيدات الحديثة. أو كقوة دافعة خالية من التلوث.
أما السيارة الهوائية(Aircar) أسبانية التصميم فتستخدم الهواء المضغوط المخزن في اسطوانة لتحريك الأقراص الترددية لتمثل نموذجا للسيارة الخالية من التلوث في المناطق الحضرية.[٣]
في الطوربيدات الغاز، كالذي ينتج في اختبار بيروكسيد أو وقود أوتو الثاني، هو مضغوط من دون الحاجة للاحتراق وبالتالي للأكسجين. وهو بذلك يسمح بالدفع تحت الماء لفترات طويلة من الزمن وعبر مسافات كبيرة. انظر على سبيل المثال مارك 46 الطوربيدات.
في معظم تطبيقات الطاقة البخارية اليوم، فإن محرك المكبس قد حل محلها وبشكل أكثر كفاءة التوربينات البخارية.
وانظر أيضا
- محرك بخاري(Steam engine)
- محرك ستيرلينغ (Stirling engine)
- Ajax Engines محركات اياكس
- محرك الاحتراق الداخلي Internal combustion engine
- Otto cycle دورة أوتو
- Diesel cycle دورة وقود الديزل
- Engine configuration محرك التكوين
- Diesel engine محرك ديزل
- Engine Balancing
- Torsional vibration اهتزاز دوراني
- Top dead centre أعلى نقطة في الاسطوانة
- Distributed Energy Resources موارد الطاقة الموزعة
- المحركات الحرارية لملاحظة الديناميكا الحرارية المتضمنة فيها.(Heat engine for a view of the thermodynamics involved in these engines.)
- لاتباع نهج المتناقضة بدون استخدام أي المكابس، راجع pistonless rotary engine
- للحصول على منظور تاريخي انظر الجدول الزمني لتكنولوجيا المحرك الحراري.
مصادر أخرى
- ^ Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), "A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications", Journal of Roman Archaeology 20: 138–163
- ^ [3] ^ The Wartsila-Sulzer Super Engine at gCaptain، September 10th, 2007. Accessed June 2008
- ^ [9] ^ The Aircar manufactured by MDI SA. Accessed April 2007
الروابط الخارجية
- HowStuffWorks: How Car Engines Work
- Reciprocating Engines at Infoplease
- Piston Engines US Centennial of Flight Commission
als:Hubkolbenmotor bg:Коляно-мотовилков механизъм ca:Motor d'explosió cs:Pístový motor da:Stempelmaskine de:Hubkolbenmotor Reciprocating engine]] eo:Piŝta motoro es:Motor de explosión fa:موتور رفت و برگشتی fi:Mäntämoottori fr:Moteur à explosion hi:प्रत्यागामी इंजन id:Mesin piston it:Motore a movimento alternativo ja:レシプロエンジン nl:Zuigermotor no:Stempelmotor pl:Silnik tłokowy ru:Поршневой двигатель внутреннего сгорания sk:Piestový motor sv:Kolvmotor tr:İki zamanlı motor zh:往复式发动机
