محرك البنزين ( Petrol engine )
☰ جدول المحتويات
مُحرِّكُ البنزين نوع من المحركات يستخدم البنزين وقودًا. ويتم في داخل المحرك احتراق الوقود المخلوط بالهواء. وينتج عن الاحتراق غازات ساخنة تتمدد، ضد أجزاء من المحرك وتسبب تحركها. ولهذا السبب سُميت محركات البنزين محركات الاحتراق الداخلي. وتحول الحركة داخل هذا المحرك إلى خارجه لإدارة العجلات والمراوح أو لتشغيل الآلات، وبهذه الطَّريقة يحول محرك البنزين الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي. ويقاس معدل إنتاج الشغل في وحدة إنتاجية العمل من محرك البنزين بالقدرة الحصانية أو الواط.
ومحركات البنزين صغيرة الحجم وخفيفة الوزن بالنسبة للقدرة المنتجة. ولهذا السبب فإنَّ هذه المحركات من أهم المحركات بالنسبة للسَّيارات. فجميع السَّيارات تقريباً وآلات قَطْع الحشائش، والدراجات البخارية، والزلاجات الثلجية، والجرارات الصغيرة، كل هذه تعمل بمحرك البنزين، وكذلك الشاحنات، والحافلات، والطائرات، والقوارب الصغيرة. ويستخدم محرك البنزين أحياناً بوصفه مصدراً متنقلاً للقدرة، على سبيل المثال، لتوفير القدرة اللازمة لتشغيل المضخات والآلات الأخرى في المزارع.
أنواع محركات البنزين
هناك نوعان رئيسيان لمحركات البنزين: محركات تردُّدية ومحركات دوَّارة. فالمحرك الترددي مكابس تتحرك جيئة وذهاباً، ويحول العمود المرفقي هذه الحركة الترددية إلى حركة دائرية. ويستخدم المحرك الدوّار ـ ويعرف كذلك بمحرك فانكل ـ نبائط دوارة بدلاً من المكابس، وتنتج هذه النبائط الدوارة حركة دوران مباشرة. وتتناول هذه المقالة المحركات الترددية، وهي النوع الشائع الاستخدام. وللحصول على معلومات عن المحركات الدوارة. ★ تَصَفح: المحرك الدوار.
تصنف محركات البنزين الترددية بعدة طرق منها: 1- عدد أشواط المكبس لكل دورة 2- نوع الانضغاط 3- طريقة تبريد المحرك 4- طريقة ترتيب الصمامات 5- طريقة ترتيب الأسطوانات 6- طريقة توصيل الهواء والوقود إلى المحرك.
 |
كيف يعمل محرك البنزين ذو الدورة الثنائية الأشواط تبدأ الدورة عندما يتحرك المكبس إلى أعلى الأسطوانة خلال شوطي الانضغاط والإدخال، ★ تَصَفح الشكل. يسحب المكبس خليط الهواء والوقود إلى داخل علبة المرافق للدورة التالية ويضغط على الخليط الموجود أصلاً في الأسطوانة. وعندما يصل المكبس إلى أعلى الأسطوانة، يشعل قابس الإشعال الخليط، وتدفع الغازات المحترقة المكبس إلى أسفل من أجل شوط العادم والقدرة ★ تَصَفح الشكل (أسفل اليسار) وحينما يبعد المكبس عن منفذ العادم، تبدأ الغازات بالخروج ويدخل خليط جديد الأسطوانة من خلال منفذ الإدخال. |
الدورة:
تعمل معظم محركات البنزين الترددية إما على شوطين أو أربعة أشواط في الدورة الواحدة. والدورة هي الخطوات التي تعاد لكل عملية احتراق لخليط الهواء والوقود في الأسطوانة. والشَّوط هو حركة المكابس إلى أعلى وإلى أسفل أو حركته جيئة وذهاباً. ويكون عند المحرك ذي الدورة رباعية الأشواط شوط إدخال، وشوط ضغط، وشوط قدرة، وشوط إفراغ. أما محرك الدورة ثنائية الأشواط، فيجمع بين شوطي الإفراغ والإدخال عند إتمام شوط القدرة. وبالرغم من أن المحرك ذا الدورة ثنائية الأشواط أقل فعالية في مردود استهلاك الوقود من المحرك ذي الدورة رباعية الأشواط، إلا أنه أقل تعقيداً وأرخص تصنيعا. ويستخدم المحرك ذو الدورة ثنائية الأشواط عندما تكون تكلفة التصنيع مهمة كما في آلات تشذيب الحشائش. فهي تنتج قدرة أكبر للوزن والحجم نفسيهما من المحرك ذي الدورة الرباعية الأشواط، فكل أسطوانة في المحرك ذي الدورة ثنائية الأشواط تنتج شوط قدرة لكل دورة من دورات العمود المرفقي، ولكن الأسطوانة في المحرك ذي الدورة رباعية الأشواط تنتج شوط قدرة لكل دورتين.الانضغاط العالى والمنخفض:
عندما يتحرك المكبس من أسفل الأسطوانة إلى أعلاها، فإنه يضغط خليط الهواء والبنزين. ونسبة الانضغاط رقم يدل على مقدار انضغاط الخليط. فمن الممكن أن يكون لدى المحرك ذي الانضغاط العالي نسبة انضغاط عشرة إلى واحد، أي أن هذا المحرك يضغط الخليط إلى عُشر حجمه السابق، أما المحرك ذو الانضغاط المنخفض فيمكن أن يكون لديه نسبة انضغاط ثمانية إلى واحد. وتحرق المحركات ذات الانضغاط العالي البنزين بفعالية أكثر من المحركات ذات الانضغاط المنخفض، ولكن تحتاج المحركات ذوات الانضغاط العالي إلى بنزين فيه نسبة مرتفعة من الأوكتان. ★ تَصَفح: عدد الأوكتان.وحتى بداية السبعينيات، كان مستوى الأوكتان في البنزين يعتمد على مقدار الرصاص المضاف، فكلما زاد الرصاص زاد الأوكتان. وفي منتصف السبعينيات بدأ مصنعو السيارات يزوّدون سياراتهم بأجهزة تسمى المحولات الحفازة تقلل من الملوثات في عادم السيارة. وقد وُجِد أن الرصاص يعيق فعالية المحوِّل الحفَّاز، ولذا فإن السيارة ذات المحوِّل الحفَّاز تستخدم بنزيناً قليل الأوكتان، لأن البنزين ذا الأوكتان العالي وعديم الرصاص مكلف جداً. ونتيجة لذلك، اضطر مصنعو السيارات إلى تقليل نسب انضغاط المحركات لكي تزيد من فعالية حرق هذه المحركات للوقود المنخفض الأوكتان وعديم الرصاص.
التبريد:
تنتج عملية احتراق خليط الوقود مع الهواء في الأسطوانة غازات ساخنة تصل درجة حرارتها إلى 2500°م. لذلك يجب تبريد الأجزاء المعدنية من المحرك وإلا فستنصهر هذه الأجزاء. ومعظم محركات البنزين للسيارات تبرد بالسوائل. ويُستخدم الماء عادة في تبريد الأجزاء المعدنية، وذلك بتدوير الماء حول الأسطوانات. وبعد ذلك يضخ الماء الساخن إلى مشعاع (راديتر)، وهنالك مروحة يديرها محرك السيارة أو أي محرك كهربائي، ووظيفة هذه المروحة سحب هواء خلال المشعاع وذلك لتبريد الماء. ومعظم المحركات الترددية في الطائرات تُبَرَّد بالهواء، وذلك لتخفيف الوزن المحمول على ظهر الطائرة. ولكن الهواء أقل فعالية في التبريد من السوائل، لذلك توجد جنيحات تبريد معدنية على السطح الخارجى لأسطوانات الطائرات. وتوصل هذه الجنيحات الحرارة إلى خارج الأسطوانة، وتكون سطحاً كبيرًا كي يمر الهواء على هذا السطح وبذلك تزيد فعالية التبريد.ترتيب الصمامات:
أشهر ترتيب للصمامات ترتيبان:1- ترتيب رأس الصمامات على شكل حرف (L).
2- ترتيب رأس الصمامات على شكل حرف (I).
تكون فتحات الإدخال والإخراج في النوع الأول جنباً إلى جنب في كتلة الأسطوانة. فصمامات الإدخال تدخل خليط الوقود والهواء إلى الأسطوانة، أما صمامات الإخراج فتخرج الغازات إلى العادم. وفي صمامات المحرك ذات الشكل (I) تكون فتحات الإدخال والإخراج جنباً إلى جنب في رأس الأسطوانة (أي في الغطاء العلوي للأسطوانة). وفى بعض السيارات تكون لكل أسطوانة أربعة صمامات: اثنان للإدخال، واثنان للإخراج.
 |
ترتيب أسطوانات محرك البنزين للمحركات ذات الشكل 7 صفان من الأسطوانات بينهما زاوية. أما المحركات المتتابعة فلها صف واحد من الأسطوانات. وللمحرك ذي الأسطوانات الأفقية المتعاكسة أسطوانات متعاكسة. وتوضع أسطوانات المحرك نصف القطري حول العمود المرفقي للمحرك. وفي المحركات الدائرية غرف دوارة بدلاً من الأسطوانات. |
ترتيب الأسطوانات:
تصنف المحركات حسب عدد الأسطوانات وترتيبها. ومن الأنواع المشهورة المتتابع، وشكل الرقم 7، ونصف القطري، والأفقي المتعاكس. ففي المحركات نصف القطرية عدد فردي من الأسطوانات كثلاث، أوخمس، أوسبع، أوتسع. أما معظم المحركات الأخرى فلديها عدد زوجي من الأسطوانات كأربع، أوست، أوثمان، أو اثنتي عشرة.الوقود والهواء:
يُرسل الوقود إلى الأسطوانات إما عن طريق الكاربريتر (المكربن) أو عن طريق نظام حقن. لذلك يمكن تصنيف المحركات الترددية إلى محركات مُكربنة أو محركات ذات وقود محقون. ★ تَصَفح: الكاربريتر ؛ حقن الوقود. ونظرًا لأن الاحتراق يعتمد على كل من الهواء والوقود، فقدرة المحرك محدودة بكمية الهواء، التي تصل إلى الأسطوانات ولزيادة القدرة فإن المحرك إما أن يكون زائد الشحن أو ذا شحن توربيني. فالمحرك الزائد الشحن مضخة تدار بمحرك، والمحرك ذو الشحن التوربيني هو مضخة تدار بعادم. وكلتا المضختين تدفع الكثير من الهواء إلى داخل الأسطوانات، وبذلك تزيد قدرة المحرك، ويزن الهواء المطلوب لحرق وحدة واحدة من البنزين حوالي 15 ضِعْف وزن البنزين.أجزاء محرك البنزين الترددي
 |
الأجزاء الأساسية لمحرك البنزين. الأجزاء الأساسية في محركات البنزين الترددية متشابهه جدًا. فكلما ارتفع المكبس أو هبط، أدارت قضبان التوصيل العمود المرفقي. والشكل يوضح أجزاء محرك سيارة ذات أربع أسطوانات، فيها نظام إشعال إلكتروني لتسهيل تشغيل السيارة. وفيها كذلك نظام حقن الوقود بدلاً من الكاربريتر لتوفير استهلاك الوقود. |
كتلة الأسطوانات:
هيكل ثابت يُمسك الأسطوانات في مكانها الصحيح، وإذا كان المحرك يبرد بالسائل فالمجموعة تكون مغلقة لكي يحيط السائل بالكتلة، أو هناك مداخل للسائل حول كل أسطوانة. وفي محركات السيارات تشكل كتلة الأسطوانات وحوض المحرك وحدةً واحدة.ً وتُصنع كتلة الأسطوانات عادة من الألومنيوم أو الحديد الزهر.الأسطوانات:
أنابيب ثابتة تستخدم محملاً للمكابس التي تتحرك إلى أعلى وإلى أسفل داخل الأسطوانات. وتكون الجدران الداخلية لهذه الأسطوانات مصقولة جداً، وهذا يساعد على إحكام القفل بين المكبس والأسطوانة لمنع الغازات من التسرب بينهما. وفي بعض المحركات غطاء أسطوانى مصنوع من فولاذ مقوى خاص أو من الحديد الزهر، وهذا الغطاء مضغوط على كتلة الأسطوانات.رأس الأسطوانة:
قالب صب مثبت في أعلى كتلة الأسطوانات وتتكون غرفة الاحتراق من رأس الأسطوانة والجزء العلوي من الأسطوانة وقمة المكبس. ويتمُّ حرق خليط الوقود والهواء في هذه الغرفة، ومن الممكن أن تكون الأسطوانة ورأسها قطعة واحدة.علبة المرافق:
هيكل ثابت يحمل العمود المرفقي وحاملاته. وفي المحركات الصغيرة يكون جزء من علبة المرافق أو كلها جزءاً من كتلة الأسطوانة.المكابس وقضبان التوصيل:
عندما يحترق خليط الوقود والهواء تكون الغازات المتمددة قوة ضاغطة على المكبس. وتوصل قضبان التوصيل هذه القوة إلى العمود المرفقي، والمكبس. وللمكبس 2-6 حلقات تمنع تسرب الغازات وحفظ زيت التزليق من الدخول إلى غرفة الاحتراق.عمود المرفق:
يُغير حركة المكبس الترددية إلى حركة دورانية، وله عدد من أذرعة التدوير أو المرافق. وهذه المرافق يقوم بعضها على بعض بزوايا معينة. فمثلاً في المحرك ذي الأسطوانات الست المتتاليات، وفي المحرك ذي الدورة الرباعية الأشواط تقع أذرعةُ التَّدوير على زاوية مقدارها 120°، ونتيجة لذلك، فإن المحرك ينتج ثلاثة أشواط قوى متساوية في كل دورة من دورات العمود المرفقي، وذلك لضمان عملية منتظمة.الحذافة:
تخزن القدرة خلال شوط القدرة في المكبس وتطلق هذه القدرة خلال الأشواط الأخرى، وهذا يساعد في دوران العمود المرفقي بسرعة ثابتة. ★ تَصَفح: الحذافة.الصمامات:
في المحرك ذي الدورة رباعية الأشواط يكون لكل أسطوانة صمام أو صمامان لإدخال خليط الوقود والهواء إلى خزانة الاحتراق، وصمام أو صمامان لإخراج الغازات المحترقة. هذه الصمامات تسمى الصمامات القفّازة لأنها تقفز إلى أعلى وإلى أسفل عند الفتح والإغلاق. وتسمى الفتحة في أعلى الأسطوانة غير المغطاة بالصمام المنفذ. ففي العديد من المحركات ذات الدورة ثنائية الأشواط، تحل حركة المكبس محل صمامات مختلفة، وكلما تحرك المكبس فإنه يغطي ويكشف المنفذ.عمود الحدبات:
هو الذي يفتح ويغلق الصمامات في الوقت المناسب في أثناء دورة المحرك. ويساوي طوله طول المحرك وفيه حَدَبة عند كل صمام إدخال أو إخراج. وفي المحرك، الذي تتكون دورته من أربعة أشواط فإن عمود إدارة الكامات يكون مُعَشَّقًا خلال تروس العمود المرفقي لكي يدور بنصف سرعة العمود المرفقي. ومن الممكن أن يوجد عمود الحدبات في رأس صمام المحرك المتدلي أو في علبة المرافق.نظام الوقود:
يشتمل على: 1- خزان الوقود 2- خطوط نقل الوقود إلى الكاربريتر 3- كاربريتر لخلط البنزين والهواء 4- مشعب إدخال (مشعب سحب) لتوزيع خليط الوقود والهواء إلى الأسطوانات. وكذلك يشتمل نظام الوقود على مرشح لتنظيف الوقود من الشوائب، ومنقي هواء لإزاحة الأوساخ العالقة بالهواء، لأن هذا الهواء سيختلط بالوقود. وأحياناً يشتمل النظام على منظم ليحد من سرعة المحرك. ★ تَصَفح: الكاربريتر ؛ الضابط الآلي.وتعمل بعض محركات البنزين بنظام حَقْن الوقود بدلاً من نظام الكاربريتر. والتحكم في توزيع خليط الوقود والهواء في نظام الحقن أفضل منه في نظام الكاربريتر، ومن الممكن أن يوفر نظام الحقن الوقود ويقلل الغازات المرسلة إلى العادم. ★ تَصَفح: حقن الوقود.
نظام العادم:
يتكون من جزء أو أكثر، وقد يشتمل على: 1- مشعب العادم ؛ لتجميع الغازات المحروقة من الأسطوانات 2- أنبوب العادم، لحمل الغازات المحروقة 3- خافض صوت، لخفض صوت غازات العادم. ★ تَصَفح: خافض الصوت.نظام الإشعال:
هو الدائرة الكهربائية الضرورية لإشعال خليط الوقود والهواء أو إحراقه في الأسطوانات المختلفة في أوقات مختلفة. وفي السيارة تنتج البطارية التيار الكهربائي الذى يزاد جهده الكهربائي عن طريق ملف حثّ. ويحمل تيار الجهد العالي عن طريق موزِّع يوزع الكهرباء لكل أسطوانة عند لحظة وصول المكبس إلى أعلى شوط الانضغاط. هناك يقفز التيار الكهربائي، خلال فجوة فراغ بين طرفي التوصيل. ويشعل خليط البنزين والهواء. ويكون طرفا التوصيل محفوظين داخل مادة عازلة تسمى قابس (شمعة) الإشعال. ★ تَصَفح: البطارية ؛ الإشعال.وبعض السيارات فيها نظام إشعال إلكتروني. ويستخدم هذا النظام أجزاء إلكترونية كالمكثف والترانزستور لإنتاج جهد الإشعال الإلكتروني وللتحكم فيه. وتوصل أنظمة الاشتعال الإلكتروني الكهرباء إلى كل أسطوانة إما مباشرة أو عن طريق موزع. وتحتاج الأنظمة الإلكترونية إلى عناية أقل من الأجهزة العادية، كما تحسن من أداء المحرك.
أما في محرك الطائرة فيمكن إنتاج تيار كهربائي عالي الجهد من مغنيط وإيصاله إلى قوابس الإشعال، والمغنيط لايحتاج إلى بطارية لكي يعمل. ★ تَصَفح: المغنيط.
نظام التزييت:
يكوِّن غشاء زيتيًا عازلاً بين الأجزاء المتحركة من المحرك لمنع التآكل الناتج من الاحتكاك، ولحفظ المحرك بارداً. والنوعان الرئيسيان من أنواع أنظمة التزييت للمحرك ذي الدورة رباعية الأشواط هما: الحوض الرطب والحوض الجاف. وفي المحرك ذي الحوض الرطب، يكون الزيت موجوداً بداخل المحرك في أسفل علبة المرافق. أما في المحرك ذي الحوض الجاف، فإن الزيت يكون موجوداً في خزان زيت مستقل.وبعض المحركات ذوات الدورة الثنائية الأشواط، مثل تلك المستخدمة في آلات تشذيب الحشائش، والدراجات النارية، والقوارب، ليس لديها نظام تزييت مستقل. فمستخدمو هذه المحركات يخلطون قليلاً من زيت التزييت بالبنزين. أما المحركات ذوات الدورة الثنائية الأشواط الثقيلة فلديها أنظمة تزييت تشابه الأنظمة الموجودة في المحركات ذوات الدورة الرباعية الأشواط.
تطوّر محرك البنزين
 |
كيف يعمل المحرك ذو الدورة الرباعية الأشواط تبدأ الدورة بشوط الإدخال عندما يتحرك المكبس إلى أسفل الأسطوانة وتسحب خليط الهواء والوقود. بعد ذلك يضغط المكبس هذا الخليط عندما يكون متحركًا إلى أعلى الأسطوانة. وفي نهاية شوط الانضغاط يشعل قابس الإشعال الخليط فتدفع الغازات المحترقة المكبس إلى أسفل من أجل شوط القدرة. بعد ذلك يتحرك المكبس إلى أعلى الأسطوانة مرة أخرى، دافعًا الغازات المحترقة إلى الخارج خلال شوط العادم. |
كذلك سجل مخترع إنجليزي آخر يسمى وليم بارنيت، في عام 1838م براءة اختراع محرك غاز يضغط خليط الوقود. وكان محرك بارنت ذا أسطوانة أحادية الحركة إلى أعلى وإلى أسفل، وتنشأ الانفجارات أولاً عند أعلى المكبس وثانياً عند أسفله.
وفي فرنسا بنى جان جوزيف إتيان لانوار عام 1860م أول محرك احتراق داخلي عملي، وكان يستخدم غاز إنارة الشوارع وقوداً. هذا المحرك الأحادي الأسطوانة كان مزودًا بنظام إشعال مركمي. ومع بداية عام 1865م كان هناك 400 من هذه المحركات تستخدم في مدينة باريس في أعمال الطباعة والخراطة ومضخات الماء. ولقد ركب لانوار واحدًا من محركات البنزين في سيارة زيت خام.
وفي عام 1862م صمم فرنسي آخر هو بو دو روشا، على الورق فكرة المحرك ذي الأشواط الأربعة ولكنه لم ينفذ هذا التصميم. وبعد أربع سنوات قام الألمانيان نيكولاس أوغست أوتو، ويوجين لانجن، ببناء محرك غاز ناجح ذي أربعة أشواط.
وصمم جوتليب ديملر أول محرك بنزين ذي أربعة أشواط ناجح في عام 1885م. وهذا المصمم زميل للألمانيين أوتو ولانجن. وفي نفس السَّنة قام الألماني كارل بنز بتصنيع محرك بنزين ناجح. وتشبه تلك المحركات القديمة إلى حد بعيد محركات البنزين التي تصنع في الوقت الحاضر. وللحصول على معلومات عن التطورات الأخيرة في محرك البنزين. ★ تَصَفح: السيارة.
التحكم في تلوث الهواء
تُنْتُج محركات البنزين عناصر ملوثة للهواء. وقد حددت معظم الدول الصناعية النسب المسموح بها من الغازات المنطلقة من عادم السيارة. وللوصول إلى هذه النسب قام مصنعو السيارات بالعديد من التعديلات على تصميم محركاتهم. فقد بدأوا تركيب المحول الحفاز في السيارات الجديدة للحد من إخراج الغازات الملوثة من العادم.
وفي السيارات الآن محرك يتم التحكم فيه إلكترونيًا. ويوجد بنظام التحكم هذا مجس أكسجيني عند نظام العادم. فعندما لا يكون أداء المحول الحفاز كما ينبغي، يرسل هذا المجس إشارة إلى معدات التحكم الإلكتروني في المحرك لكي تُعدل نسبة خلط البنزين بالهواء، وذلك لتحسين أداء المحول الحفاز. ومن الممكن مستقبلاً أن تستخدم السيارات الهيدروجين وقوداً للحد من تلوث البيئة، لأن احتراق الهيدروجين ينتج بخار الماء عديم الضرر.