محرك السيارة

1.  محرك السيارة

2. فكرة عمل محرك السيارة يعتبر محرك السيارة من التطبيقات العملية لعلم الديناميكا الحرارية حيث أن هذا العلم يركز على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.  ولا شك ان كل شخص يمتلك سيارة أو يستخدمها للتنقل من مكان إلى آخر.. فهل سألت نفسك يوما كيف يعمل محرك السيارة وما دور كل قطعة فيه لتجعل السيارة تسير بسرعات تصل إلى 200 كيلومتر في الساعة. واعتقد انه من الضروري على كل شخص يستخدم السيارة معرفة ماذا يجري بعد تشغيلها وخصوصا عن حدوث عطل ما والذهاب إلى الميكانيكي لإصلاحها وقد نجهل تماماً ماذا فعل لإصلاحها؟ وما هي قطعة التي قام بتغيرها؟  كذلك عند شراء سيارة جديدة فإن ثمنها يعتمد على مواصفاتها فماذا تعني سعة المحرك 2 ليتر أو إنها تحتوي على 6 صمامات أو إنها تعمل بطريقة ضخ الوقود Fuel Injectionوغيره من هذه الأمور.. في هذا الجزء من تفسيرات فيزيائية سوف نقوم بتوضيح فكرة عمل محرك السيارة والتعرف على مكوناته...

3. ماكنة الاحتراق الداخلي • تنقسم المحركات إلى نوعين نوع يعرف باسم ماكنة الاحتراق الخارجي external combustion engine وهو المستخدم قديما في محركات القطارات البخارية والسفن البحرية حيث يتم استخدام الطاقة الحرارية الناتجة من حرق الفحم لتبخير الماء واستخدام ضغط البخار في دفع المكابس التي بدورها تكون متصلة بعامود الحركة لإدارة العجلات ولكن هذا النوع من المحركات قل استخدامه لقلة كفاءته وصعوبة تصنيعه وصيانته، أما النوع الثاني فيعرف باسم ماكنة الاحتراق الداخلي internal combustion engines  وهو المستخدم حاليا في اغلب السيارات لما لهذه المحركات من كفاءة في التشغيل وسهولة تزويد السيارة بالوقود وتكلفة تصنيعها اقل نسبياً من المحركات الاحتراق الخارجي.

4. لتوضيح فكرة عمل ماكنة الاحتراق الداخلي والتي على أساسها يعمل محرك السيارة سنقوم بتشبيه ذلك على نحو قذيفة المدفع القديمة التي قد نشاهدها في الأفلام السينمائية القديمة حيث يقوم الشخص بوضع بودرة البارود في الطرف الخلفي للمدفع ومن ثم يقوم بوضع الكرة المعدنية في فوهة المدفع.  ولإطلاق القذيفة يتم إشعال البارود لتتولد طاقة حرارية هائلة تزيد مقدار الضغط الذي يتجه إلى دفع الكرة المعدنية بقوة من فوهة المدفع..

5. مكونات محرك السيارة

6. الاسطوانة Cylinder • هذا هو الجزء الرئيسي للمحرك وعادة ما تحتوي محركات السيارات على أربعة اسطوانات أو ستة أو ثمانية وفي هذه الحالة يتم ترتيب الاسطوانات في المحرك بثلاثة أوضاع فإما تكون مرتبة على خط مستقيم أو ترتب في خطين متوازيين أو على شكل حرف V كما هو موضح في الشكل التالي • يلعب ترتيب وعدد الاسطوانات في محرك السيارة دوراً رئيسيا في نعومة حركة المحرك وكفاءته وكذلك سعر السيارة.

7. ترتيب الاسطوانات في خط مستقيم • ترتيب الاسطوانات في خطين متوازيين • ترتيب الاسطوانات على خطين بزاوية حادة تعمل شكل حرف V

8. 2. البوجيهSpark plug • وهي التي تولد الشرارة الكهربية في لحظة انضغاط الخليط لتحدث الاحتراق وللعلم في محركات الديزل لا توجد هذه القطعة حيث يحترق الوقود نتيجة لارتفاع حرارته. 3. الصماماتValves • لكل اسطوانة صمامين واحد لادخال الوقود والهواء والثاني لاخراج ناتج الاحتراق وكلاهما يفتحا ويغلقا حسب الشوط ولكن في حالة شوط الانضغاط يغلغا تماما.

9. 4. المكبس Piston وهو قطعة من الصلب تتحرك للأعلى والأسفل داخل الاسطوانة. 5. حلقات المكبسPiston ringsتوجد حلقات المكبس بين الجزء الخارجي للمكبس والجزء الداخلى 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.

10. 6. غرفة الاحتراق Combustion chamber وهي المساحة التي يحدث فيها الانضغاط والاحتراق وكما لاحظنا فهي تتغير بين قيمة صغرى (عند الانضغاط) وقيمة عظمى (عند سحب الخليط). إن الفرق بين القيمة العظمى والقيمة الصغرى تسمى الازاحةDisplacement وتقاس بوحدة الليتر أو السنتمتر المكعب (1000 سنتمتر مكعب تعادل لتر).  فإذا كان المحرك يحتوي اربعة اسطوانات بحيث أن كل اسطوانة تعمل إزاحة نصف لتر يكون سعة المحرك 2 لتر، أما اذا كان عد الاسطوانات 6 على شكل حرف V فإن سعة المحرك في هذه الحالة تكون 3 لتر وتكتب "3.0 liter V-6." بصفة عامة سعة المحرك يعطى معلومات عن قوة المحرك. فمحرك يعمل إزاحة بمقدار نصف ليتر يستهلك وقود ضعف ما يستهلكه اسطوانة تعمل إزاحة مقدارها ربع ليتر وهذا يعني ان قوة المحرك ذو السعة الأكبر تكون أعلى من المحرك ذو السعة الأقل.يمكن زيادة ازاحة المحرك أما بزيادة عدد الاسطوانات أو بزيادة حجم الاسطوانة نفسها أو زيادة الاثنين معاً.

11. 7. عمود التوصيلConnecting rod وهو العمود الذي يوصل المكبس مع عمود ناقل الحركةCrank shaft والذي يجعله يدور في حركة دائرية 8. Crank shaftوهو الذي يعمل على تحريك المكبس للأعلى وللأسفل. 9. وعاء الزيت Sump وهو وعاء يحتفظ بالزيت ليغمر عمود ناقل الحركةCrank shaft

12. أشواط المحرك الأشواط الأربعة في محرك احتراق داخلي

13. شوط الأخذ ( الامتصاص ) حيث يتحرك المكبس من الأعلى(النقطة الميتة العليا) إلى الأسفل(النقطة الميتة السفلى)،فتحدث خلخلة (انخفاض في الضغط) فتحد, ويكون صمام السحب مفتوحاً حيث يسمح بدخول الخليط المكون من الوقود والهواء بينما يكون صمام العادم مغلقا, إلى غرفة الاحتراق, - وهناك اختلاف 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 الوقود 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.

14. 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 الصمامان 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 الصمامين. ليبداً بذلك شوط القدرة

15. شوط القدرة عند وصول المكبس إلى النقطة الميتة العليا تقوم شمعة الاشعال بإرسال الشرارة, بتوقيت وقوة معينتين مفجرة بذلك الخليط المكون من البنزين والهواء, والذي قد ضغط ورفعت درجة حرارته نتيجة لحركة المكبس في مشوار الضغط كما أسلفنا سابقا.مع الملاحظة بأن الصمامان في شوط القدرة يكونا مغلقين أيضا 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 السفلى, وهذا الشوط يسمى بالشوط الفعال, أو شوط القدرة لأن المحرك يعتمد في عمله على القوة التي يولدها شوط القدرة.

16. شوط العادم يبدأ هذا الشوط بانتهاء شوط القدرة, حيث يرتفع المكبس من النقطة الميتة السفلى إلى النقطة الميتة العليا, مع فتح صمام العادم سامحاً بخروج العادم المتولد عن احتراق الخليط, طارحاً إياه إلى الهواء الخارجي.وبذلك نكون قد اتممنا عملية الاحتراق كاملة في المحرك.ربما سيطرح السؤال نفسه: من أين أتت 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 أحد المكابس في حالة قدرة والثلاثة الأخرى, في سحب وآخر في عادم وآخر في ضغط.

18. الأسس الثرمودينامكية الأسس الثرموديناميكية في محركات الاحتراق الداخلي ترتكز على ثلاث قيم حرارية متغيرة وهي: الحجم والضغط والحرارة. كل من هذا المتغيرات لها تأثير على القيمتين الأخرىتين، وبهذا 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، وذلك من خلال التحكم بالتغيرات التالية: • الارتفاع أو الهبوط بحرارة الخليط • الارتفاع أو الهبوط بحجم الخليط • الارتفاع أو الهبوط بضغط هذا الخليط من خلال الأشواط الأربعة الحاصلة، تحدث أربع تغيرات ثرموديناميكيةبفعل العمليات التالية:

19. عملية الضغط المكبس يتحرك إلى فوق في حين أن الصمامات مغلقة. وبهذا: • ينخفض حجم الخليط المكبوس • ترتفع حرارة الخليط • يزيد ضغطه مما يجعل من الخليط، مادة قابلة للانفجار. هنا يحصل النظام الحراري على ""الشغل"" الناتج عن الضغط. • عملية الانفجار وزيادة الحرارة هنا تقوم شمعة الاشتعال بحرق الخليط المضغوط، مما يؤدي إلى انفجاره. وبهذا: • يبقى الحجم ثابتا خلال لحظة الاشتعال، كون الانفجار يحصل بسرعة كبيرة تقرب المالانهاية. • تزيد الحرارة بشكل مرتفع جدا. هنا يحصل النظام على الطاقة الحرارية التي ستتحول فيما بعد إلى طاقة حركية

20. عملية التمدد هنا يندفع المكبس إلى الأسفل بفعل الانفجار، وبهذا: • يرتفع حجم الغاز الناتج عن احتراق الخليط. • يهبط الضغط مع فتح صمام العادم عند وصول المكبس إلى النقطة السفلى هنا يحصل النظام الحراري على الشغل الناتج عن دفع الانفجار للمكبس إلى الأسفل. • عملية التخلّص الحراري مع فتح صمام العادم: • تنفذ الحرارة إلى الخارج • يتم إخراج الغاز العادم من الأنبوب وبهذا يقل حجم الأنبوب وتنخفض حرارته.