محرك الاحتراق الداخلي هو آلية لتوليد الطاقة أحدثت ثورة في وسائل النقل والآلات. يعمل على مبدأ تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية من خلال احتراق الوقود مثل البنزين أو الديزل.
المكونات الرئيسية: يتكون محرك الاحتراق الداخلي في جوهره من أسطوانة ومكبس وصمامات وعمود مرفقي وشمعة إشعال (في محركات البنزين) أو حاقن الوقود (في محركات الديزل).
دورة رباعية الأشواط: يعتمد تشغيل معظم محركات الاحتراق الداخلي على دورة رباعية الأشواط. هذه السكتات الدماغية هي السحب والضغط والطاقة (أو الاحتراق) والعادم.
تحويل الطاقة: تنتج عملية الاحتراق في الأسطوانة غازًا عالي الضغط، مما يؤثر بقوة على المكبس. يتم تحويل هذه القوة الخطية إلى حركة دورانية بواسطة العمود المرفقي، والذي يمكنه بعد ذلك قيادة عجلات السيارة أو الآلات الأخرى.
يمكن تصنيف محركات الاحتراق الداخلي بناءً على نوع الوقود، أو عدد الأشواط، أو الطريقة التي يتم بها تحضير الهواء والوقود وإدخالهما إلى غرفة الاحتراق.
أنواع الوقود: يمكن أن تعمل محركات الاحتراق الداخلي بمجموعة متنوعة من أنواع الوقود بما في ذلك البنزين والديزل والديزل الحيوي والإيثانول وحتى الهيدروجين. يؤثر اختيار الوقود على تصميم المحرك وكفاءته وانبعاثاته.
عملية الاحتراق: تعمل عملية الاحتراق على توليد الحرارة وتمدد الغازات داخل الأسطوانة، مما يؤدي إلى الضغط على المكبس. يتم وصف العملية المثالية من خلال دورة أوتو لمحركات البنزين، ودورة الديزل لمحركات الديزل.
دورة أوتو: يمكن وصف دورة أوتو النظرية بأربع مراحل مشابهة للمحرك رباعي الأشواط، ولكن بالمعنى الديناميكي الحراري - مع عمليتين متساويتين (حجم ثابت) لإضافة الحرارة ورفضها، وعمليتين متساويتين (قابلتين للانعكاس الأدياباتي) لزيادة الحرارة. الضغط والتوسع.
دورة الديزل: تختلف دورة الديزل بشكل أساسي في عملية إضافة الحرارة التي تحدث عند ضغط ثابت وفي نسب الانضغاط الأعلى والتي لا يختلط فيها الوقود والهواء حتى لحظة الاحتراق.
إن كفاءة محرك الاحتراق الداخلي هي مقياس لمدى نجاحه في تحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى عمل ميكانيكي. تشمل العوامل التي تؤثر على الكفاءة تصميم المحرك، ونوع الوقود، ومدى حرق الوقود بالكامل.
تشمل الانبعاثات الصادرة عن محركات الاحتراق الداخلي ثاني أكسيد الكربون (CO \(_2\) ) وأول أكسيد الكربون (CO) وأكاسيد النيتروجين (NO \(_x\) ) والهيدروكربونات غير المحترقة. وتساهم هذه الانبعاثات في تلوث الهواء والاحتباس الحراري. ويهدف التقدم التكنولوجي، مثل أنظمة حقن الوقود، والمحولات الحفازة، وأنواع الوقود البديلة، إلى تحسين الكفاءة وتقليل الانبعاثات الضارة.
مع تزايد المخاوف البيئية والتوجه نحو الطاقة المستدامة، هناك أبحاث مهمة تركز على تحسين الكفاءة وتقليل التأثير البيئي لمحركات الاحتراق الداخلي. وتشمل الابتكارات المحركات الهجينة التي تجمع بين محركات الاحتراق الداخلي والمحركات الكهربائية، وتوقيت الصمامات المتغير، والمحركات القادرة على العمل بأنواع وقود متعددة أو الوقود الحيوي.
علاوة على ذلك، يمثل تطوير خلايا وقود الهيدروجين بديلاً مستقبليًا محتملاً لمحركات الاحتراق الداخلي التقليدية، مما يوفر وعدًا بنقل خالٍ من الانبعاثات عند استخدام الهيدروجين المنتج من مصادر الطاقة المتجددة.
مثال لتوضيح عمل محرك الاحتراق الداخلي يمكن أن يكون إعدادًا تجريبيًا بسيطًا لنموذج محرك رباعي الأشواط. غالبًا ما تُستخدم مثل هذه النماذج في البيئات التعليمية لتوضيح ضربات السحب والضغط والطاقة والعادم بطريقة واضحة وعملية، مما يساعد المتعلمين على تصور العمليات الداخلية للمحرك.
في حين أن المحركات الحقيقية أكثر تعقيدًا، وتتضمن العديد من المكونات والأنظمة الإضافية (مثل أنظمة التبريد والتشحيم وتوصيل الوقود)، إلا أن المبدأ الأساسي يظل كما هو ويمكن فهمه من خلال هذه النماذج الأساسية.
يلعب محرك الاحتراق الداخلي دورًا محوريًا في المجتمع الحديث، حيث يقوم بتشغيل المركبات والآلات والمولدات. على الرغم من التوجه نحو الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية، فمن المرجح أن تظل محركات الاحتراق الداخلي ذات أهمية في المستقبل المنظور، وذلك بفضل التطورات المستمرة التي تهدف إلى تحسين كفاءتها وتقليل بصمتها البيئية. إن فهم المبادئ والأنواع والعمليات الأساسية لهذه المحركات يوفر أساسًا لتقدير التعقيدات والابتكارات في تكنولوجيا السيارات وخارجها.
