محرك أوتو أو محرك بنزين هو مصطلح يستعمل للدلالة على محرك الاحتراق الداخلي الذي يتم فيه إشعال خليط الوقود والهواء بواسطة شرارة. يختلف هذا المحرك عن محرك الديزل الذي تتم عملية الإشعال فيه نتيجة للضغط. قد يكون المحرك ذو مشواران (شوطان) أو ذو أربعة مشاوير (أشواط).
فهرس |
أشواط المحرك
الشوط الأول: مشوار السحب
حيث يتحرك المكبس من الأعلى إلى الأسفل, ويكون صمام السحب مفتوحاً حيث يسمح بدخول الخليط المكون من البترول والهواء, إلى غرفة الإحتراق, - وهناك إختلاف 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 الهواء 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.
الشوط الثاني: 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 الصبابان 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 الصبابين. ليبداً بذلك شوط القدرة.
الشوط الثالث: شوط القدرة
عند وصول المكبس إلى النقطة الميتة العليا تقوم شمعة الاشعال بإرسال الشرارة, بتوقيت وقوة معينتين مفجرة بذلك الخليط المكون من البترول والهواء, والذي قد ضغط ورفعت درجة حرارته نتيجة لحركة المكبس في مشوار الضغط كما أسلفنا سابقا. 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 السلفلى, وهذا الشوط يسمى بالشوط الفعال, أو شوط القدرة لأن المجرك يعتمد في عمله على القوة التي يولدها شوط القدرة,
الشوط الرابع: شوط العادم
يبدأ هذا الشوط بإنتهاء شوط القدرة, حيث يرتفع المكبس من النقطة الميتة السفلى إلى النقطة الميتة العليا, مع فتح صباب العادم سامحاً بخروج العادم المتولد عن احتراق الخليط, طارحاً إياه إلى الهواء الخارجي.
وبذلك نكون قد اتتمنا عملة الاحتراق كاملة في المحرك.
ربما سيطرح السؤال نفسه: من أين اتت 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.
- وهذه الدورة تكون في المحركات رباعية الأشواط, وهناك محركات مزدوجة الأشواط سنقوم بإستعراضها لاحقاً.
الأسس الترمودينامكية
الأسس الترموديناميكية في محركات الإحتراق الداخلي تنقسم ترتكز على ثلاث قيم حرارية متغيرة و هي: الحجم و الضغط و الحرارة. كل من هذا المتغيرات لها تأثير على القيمتين الأخريتين،و بهذا 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، و ذلك من خلال التحكم بالتغيرات التالية:
- الإرتفاع أو الهبوط بحرارة الخليط
- الإرتفاع أو الهبوط بحجم الخليط
- الإرتفاع أو الهبوط بضغط هذا الخليط
من خلال الأشواط الأربعة الحاصلة، تحدث أربع تغيرات ترموديناميكية بفعل العمليات التالية:
عملية الضغط
المكبس يتحرك إلى فوق في حين أن الصمامات مغلقة. و بهذا:
- ينخفض حجم الخليط المكبوس
- ترتفع حرارة الخليط
- و يزيد ضغطه
مما يجعل من الخليط، مادة قابلة للإنفجار. هنا يحصل النظام الحراري على ""الشغل"" الناتج عن الضغط.
عملية الإنفجار و زيادة الحرارة
- هنا تقوم شمعة الإشتعال بحرق الخليط المضغوط، مما يؤدي إلى إنفجاره. و بهذا:
- يبقى الحجم ثابتا خلال لحظة الإشتعال، كون الإنفجار يحصل بسرعة كبيرة تقرب المالانهاية.
- تزيد الحرارة بشكل مرتفع جدا. هنا يحصل النظام على الطاقة الحرارية التي ستتحول فيما بعد إلى طاقة حركية
عملية التمدد
هنا يندفع المكبس إلى الأسفل بفعل الإنفجار، و يهذا:
- يرتفع حجم الغاز الناتج عن إحتراق الخليط.
- يهبط الضغط مع فتح صمام العادم عند وصول المكبس إلى النقطة السفلى
هنا يحصل النظام الحراري على الشغل الناتج عن دفع الإنفجار للمكبس إلى الأسفل.
عملية التخلّص الحراري
مع فتح صمام العادم:
- تنفذ الحرارة إلى الخارج
- يتم إخراج الغاز العادم من الأنبوب و بهذا يقل حجم الأنبوب و تنخفض حرارته.
محرك إحتراق داخلي ذو شوطين
يأتي اسم هذا النوع من المحركات لكون طريقة حركتها تتألف من مشوارين للمكبس لأجل إتمام الأشواط الأربعة مقارنة مع محركات الأوتو ذو الأربع مشاوير حيث يتم كل شوط بمشوار. و يسمى هذا النوع من المحركات أيضا بالمحرك بلا صمام، لعدم استخدام الصمامات فيه.
الميزات
- صغر الحجم لبساطة التصميم
- الوزن الخفيف بفضل الإستغناء عن الصمامات و توابعها. هنا يقوم المكبس بتنظيم دخول و خروج الخليط.
- يحصل الإشتعال عند كل مشوار للمكبس. مما يسرع حركة دوران المحرك.
- طريقة عمله تؤمن له مجالات استخدام أوسع حيث تكون الوضعية الأفقية أو المائلة لازمة. (منشار كهربائي، دراجة نارية جبلية)
- كلفة تصنيع منخفضة.
- يتم مزج الزيت بمادة الإحتراق، مما يزيد من إرتفاع نسبة الغازات السامة المنبعثة من المحرك.
تطبيقات لمحرك ذو شوطين
منشار كهربائي، دراجات نارية، سيارات صغيرة، سيارات سكارت، سكووتر..
