كفاءة المحرك

تتمتع محركات البنزين الحديثة بكفاءة حرارية قصوى تتجاوز 50%، ^{[ 1 ]} لكن معظم السيارات المرخصة للسير على الطرق لا تتجاوز كفاءتها 20% إلى 40%. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} ويمكن للعديد من المحركات العمل بكفاءة حرارية أعلى، ولكن على حساب زيادة التآكل والانبعاثات. ^{[ 6 ]} بمعنى آخر، حتى عندما يعمل المحرك بأقصى كفاءة حرارية، فإن حوالي 60-80% من إجمالي الطاقة الحرارية المنبعثة من البنزين المستهلك تُهدر على شكل حرارة دون أن تُحوّل إلى شغل مفيد، أي تدوير عمود المرفق. ^{[ 7 ]} ويُطرد نصف هذه الحرارة تقريبًا عبر غازات العادم، بينما يمر النصف الآخر عبر جدران الأسطوانة أو رأس الأسطوانة إلى نظام تبريد المحرك، ثم يُطلق إلى الغلاف الجوي عبر مشعاع نظام التبريد. ^{[ 8 ]} كما أن بعض العمل المتولد يضيع على شكل احتكاك وضوضاء واضطراب الهواء والعمل المستخدم لتشغيل معدات المحرك والأجهزة مثل مضخات المياه والزيت والمولد الكهربائي ، مما يترك حوالي 20-40٪ فقط من الطاقة المنبعثة من الوقود المستهلك متاحة لتحريك السيارة.

يحرق محرك البنزين مزيجًا من البنزين والهواء، بنسبة تتراوح بين 12 و18 جزءًا (وزنًا) من الهواء إلى جزء واحد (وزنًا) من الوقود. يُعتبر المزيج بنسبة 14.7:1 من الهواء إلى الوقود مزيجًا متكافئًا ، أي أنه عند احتراقه، يُستهلك 100% من الوقود والأكسجين . أما المخاليط التي تحتوي على كمية أقل من الوقود، والتي تُسمى الاحتراق الهزيل، فهي أكثر كفاءة. الاحتراق هو تفاعل يستخدم الأكسجين الموجود في الهواء ليتحد مع الوقود، وهو مزيج من عدة هيدروكربونات ، مما ينتج عنه بخار الماء وثاني أكسيد الكربون ، وأحيانًا أول أكسيد الكربون وهيدروكربونات محترقة جزئيًا. بالإضافة إلى ذلك، عند درجات الحرارة العالية، يميل الأكسجين إلى الاتحاد مع النيتروجين ، مكونًا أكاسيد النيتروجين (يُشار إليها عادةً بـ NOx ، نظرًا لأن عدد ذرات الأكسجين في المركب قد يختلف، ومن هنا جاء الرمز "X"). هذا المزيج، إلى جانب النيتروجين غير المُستهلك وعناصر أخرى ضئيلة من الغلاف الجوي ، هو ما يوجد في العادم .

تُعدّ دورة أتكينسون الأكثر كفاءة، لكن معظم مصنّعي محركات البنزين يستخدمون دورة أوتو للحصول على قدرة وعزم دوران أعلى. بعض تصميمات المحركات، مثل محرك سكاي أكتيف-جي من مازدا وبعض المحركات الهجينة من تويوتا، تستخدم دورتي أتكينسون وأوتو مع محرك/مولد كهربائي وبطارية تخزين طاقة الجر. يمكن لنظام الدفع الهجين تحقيق كفاءة فعّالة تقارب 40%.

تتميز المحركات التي تعمل بدورة ديزل عادةً بكفاءة أعلى، على الرغم من أن دورة ديزل نفسها أقل كفاءة عند نسب انضغاط متساوية. ونظرًا لأن محركات الديزل تستخدم نسب انضغاط أعلى بكثير (حيث تُستخدم حرارة الانضغاط لإشعال وقود الديزل بطيء الاحتراق )، فإن هذه النسبة الأعلى تعوض بشكل كبير عن فقدان الطاقة الناتج عن ضخ الهواء داخل المحرك.

تستخدم محركات الديزل التوربينية الحديثة نظام حقن الوقود بالسكك المشتركة المُتحكم به إلكترونيًا لزيادة الكفاءة. وبفضل نظام الشحن التوربيني ذي الشاحن المتغير هندسيًا (مع ما يترتب عليه من صيانة إضافية)، يزداد عزم دوران المحرك عند سرعات منخفضة (1200-1800  دورة في الدقيقة). وقد حققت محركات الديزل منخفضة السرعة، مثل محرك MAN S80ME-C7، كفاءة تحويل طاقة إجمالية بلغت 54.4%، وهي أعلى نسبة تحويل للوقود إلى طاقة لأي محرك احتراق داخلي أو خارجي أحادي الدورة. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} ويمكن لمحركات الشاحنات الكبيرة التي تعمل بالديزل والحافلات والسيارات الحديثة التي تعمل بالديزل أن تصل إلى ذروة كفاءة تبلغ حوالي 45%. ^{[ 12 ]}

تعمل المحركات البخارية والتوربينات على دورة رانكين التي تتمتع بكفاءة كارنو قصوى تبلغ 63٪ للمحركات العملية، مع قدرة محطات الطاقة التوربينية البخارية على تحقيق كفاءة في نطاق منتصف 40٪.

تعتمد كفاءة المحركات البخارية بشكل أساسي على درجة حرارة البخار وضغطه وعدد مراحل التمدد . ^{[ 15 ]} وقد تحسنت كفاءة المحركات البخارية مع اكتشاف مبادئ تشغيلها، مما أدى إلى تطور علم الديناميكا الحرارية . انظر الرسم البياني: كفاءة المحرك البخاري

في المحركات البخارية الأولى، كان يُعتبر المرجل جزءًا من المحرك. أما اليوم، فيُعتبران منفصلين، لذا من الضروري معرفة ما إذا كانت الكفاءة المعلنة شاملة، بما في ذلك المرجل، أم خاصة بالمحرك فقط.

يصعب إجراء مقارنات بين كفاءة وقوة محركات البخار القديمة لعدة أسباب: 1) لم يكن هناك وزن معياري لبوشل الفحم، والذي تراوح وزنه بين 82 و96 رطلاً (37 إلى 44  كيلوغراماً). 2) لم تكن هناك قيمة حرارية معيارية للفحم، وربما لم تكن هناك طريقة لقياسها. كان للفحم قيمة حرارية أعلى بكثير من فحم البخار المستخدم اليوم، حيث  ذُكرت أحياناً 13500 وحدة حرارية بريطانية/رطل (31 ميغا جول/كيلوغرام). 3) كانت الكفاءة تُقاس بـ"الحمل"، أي مقدار الشغل المبذول لرفع الماء بوحدة قدم-رطل (أو نيوتن-متر)، لكن كفاءة الضخ الميكانيكية غير معروفة. ^{[ 15 ]}

كانت كفاءة أول محرك بخاري مكبسي، الذي طوره توماس نيوكومن حوالي عام 1710، تزيد قليلاً عن نصف بالمئة (0.5%). كان يعمل ببخار ذي ضغط قريب من الضغط الجوي، يُسحب إلى الأسطوانة بواسطة الحمل، ثم يُكثف برش الماء البارد داخل الأسطوانة المملوءة بالبخار، مما يُحدث فراغًا جزئيًا فيها، ويدفع ضغط الغلاف الجوي المكبس إلى الأسفل. استخدام الأسطوانة كوعاء لتكثيف البخار كان يُبردها أيضًا، مما يؤدي إلى فقدان جزء من حرارة البخار الداخل في الدورة التالية أثناء تسخين الأسطوانة، وبالتالي انخفاض الكفاءة الحرارية. أدت التحسينات التي أدخلها جون سميتون على محرك نيوكومن إلى زيادة الكفاءة إلى أكثر من 1%.

أدخل جيمس وات العديد من التحسينات على محرك نيوكومن ، وكان أهمها المكثف الخارجي الذي منع ماء التبريد من تبريد الأسطوانة. عمل محرك وات بالبخار عند ضغط أعلى بقليل من الضغط الجوي. وقد زادت تحسينات وات الكفاءة بأكثر من 2.5 ضعف. ^{[ 16 ]} إلا أن نقص القدرات الميكانيكية العامة، بما في ذلك الميكانيكيين المهرة، وأدوات الآلات ، وأساليب التصنيع، حدّ من كفاءة المحركات الفعلية وتصميمها حتى حوالي عام 1840. ^{[ 17 ]}

قام أوليفر إيفانز وريتشارد تريفيتيك ، كلٌ على حدة، بتطوير محركات ذات ضغط أعلى . لم تكن هذه المحركات عالية الكفاءة، لكنها تميزت بنسبة عالية بين القدرة والوزن ، مما سمح باستخدامها لتشغيل القاطرات والقوارب.

كان منظم السرعة الطارد المركزي ، الذي استخدمه وات لأول مرة للحفاظ على سرعة ثابتة، يعمل عن طريق خنق بخار المدخل، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط، وبالتالي فقدان الكفاءة في محركات الضغط العالي (فوق الضغط الجوي). ^{[ 18 ]} وقد قللت طرق التحكم اللاحقة من فقدان الضغط هذا أو قضت عليه تمامًا.

حسّنت آلية الصمامات في محرك كورليس البخاري (الحاصل على براءة اختراع عام 1849) من قدرته على ضبط السرعة مع تغير الحمل، مما زاد الكفاءة بنحو 30%. يحتوي محرك كورليس على صمامات ومجمعات منفصلة لبخار المدخل والعادم، بحيث لا يلامس بخار التغذية الساخن منافذ العادم والصمامات الباردة. كانت الصمامات سريعة الاستجابة، مما قلل من خنق البخار وأدى إلى استجابة أسرع. بدلاً من تشغيل صمام خانق، استُخدم منظم السرعة لضبط توقيت الصمامات، مما يوفر قطعًا متغيرًا للبخار. كان القطع المتغير مسؤولاً عن جزء كبير من زيادة كفاءة محرك كورليس. ^{[ 19 ]}

كان لدى آخرين قبل كورليس جزء على الأقل من هذه الفكرة، بما في ذلك زكريا ألين ، الذي حصل على براءة اختراع للقطع المتغير، ولكن نقص الطلب وزيادة التكلفة والتعقيد وضعف تكنولوجيا التصنيع أدت إلى تأخير طرحها حتى ظهور كورليس. ^{[ 19 ]}

كان محرك بورتر-ألين عالي السرعة (حوالي عام 1862) يعمل بسرعة تتراوح بين ثلاثة إلى خمسة أضعاف سرعة المحركات الأخرى ذات الحجم المماثل. وقد قللت السرعة العالية من كمية التكثيف في الأسطوانة، مما أدى إلى زيادة الكفاءة. ^{[ 19 ]}

أدت المحركات المركبة إلى مزيد من التحسينات في الكفاءة. ^{[ 19 ]} وبحلول سبعينيات القرن التاسع عشر، كانت محركات التمدد الثلاثي تُستخدم في السفن. سمحت المحركات المركبة للسفن بنقل كميات أقل من الفحم مقارنةً بالبضائع. ^{[ 20 ]} استُخدمت المحركات المركبة في بعض القاطرات، لكنها لم تُعتمد على نطاق واسع بسبب تعقيدها الميكانيكي.

كانت قاطرة البخار المصممة والمبنية جيدًا تصل كفاءتها إلى حوالي 7-8% في ذروتها. ^{[ 21 ]} كان تصميم محرك البخار الترددي الأكثر كفاءة (لكل مرحلة) هو محرك التدفق الأحادي ، ولكن بحلول الوقت الذي ظهر فيه، كان البخار قد بدأ يحل محله محركات الديزل الأكثر كفاءة التي تتطلب عمالة أقل (لنقل الفحم والتزييت)، وتستخدم وقودًا أكثر كثافة، وتنقل حمولة أقل.

باستخدام إحصاءات جُمعت خلال أوائل أربعينيات القرن العشرين، قيّمت شركة سكك حديد سانتا فيه كفاءة أسطولها من قاطرات البخار مقارنةً بوحدات FT التي كانت تُشغّلها بأعداد كبيرة. ووجدوا أن تكلفة طن واحد من وقود النفط المستخدم في محركات البخار تبلغ 5.04 دولار، ويُنتج 20.37 ميلًا من الوقود على مستوى الشبكة في المتوسط. بينما تبلغ تكلفة وقود الديزل 11.61 دولارًا، ولكنه يُنتج 133.13 ميلًا من الوقود لكل طن. في الواقع، قطعت قاطرات الديزل مسافة أطول بست مرات من قاطرات البخار باستخدام وقود تكلفته ضعف تكلفة البخار فقط. ويعود ذلك إلى الكفاءة الحرارية الأفضل بكثير لمحركات الديزل مقارنةً بالبخار. ومن المفترض أن القطارات المستخدمة كمعيار للمسافة المقطوعة كانت قطارات شحن تزن 4000 طن، وهو الوزن المعتاد في ذلك الوقت.

تُعدّ التوربينات البخارية أكثر محركات البخار كفاءة، ولذلك تُستخدم على نطاق واسع لتوليد الكهرباء. يتمدد البخار في التوربين بشكل شبه متواصل، مما يجعلها تُضاهي عددًا كبيرًا من مراحل التمدد. تصل كفاءة محطات الطاقة البخارية العاملة عند النقطة الحرجة إلى حوالي 40%. تُنتج التوربينات حركة دورانية مباشرة، وهي أكثر إحكامًا وأخف وزنًا بكثير من المحركات الترددية، ويمكن التحكم بها بدقة عالية ضمن سرعة ثابتة. وكما هو الحال مع التوربينات الغازية، تعمل التوربينات البخارية بأعلى كفاءة عند الطاقة الكاملة، بينما تنخفض كفاءتها عند السرعات المنخفضة. لهذا السبب، وعلى الرغم من ارتفاع نسبة الطاقة إلى الوزن، تُستخدم التوربينات البخارية بشكل أساسي في التطبيقات التي يمكن تشغيلها فيها بسرعة ثابتة. في توليد الكهرباء بالتيار المتردد، يُعدّ الحفاظ على سرعة ثابتة للغاية للتوربين ضروريًا للحفاظ على التردد الصحيح.