محرك رباعي الأشواط

كان نيكولاس أوتو بائعًا متجولًا يعمل لدى سلسلة متاجر بقالة. خلال رحلاته، صادف محرك الاحتراق الداخلي الذي صنعه في باريس المغترب البلجيكي جان جوزيف إتيان لينوار . في عام 1860، نجح لينوار في ابتكار محرك مزدوج الفعل يعمل بغاز الإضاءة بكفاءة 4%. أنتج محرك لينوار،  الذي تبلغ سعته 18 لترًا، قوة حصانين فقط . كان محرك لينوار يعمل بغاز إضاءة مصنوع من الفحم، والذي طوره فيليب ليبون في باريس . ^{[ 2 ]} 

أثناء اختبار نسخة طبق الأصل من محرك لينوار عام 1861، أدرك أوتو تأثير الضغط على شحنة الوقود. وفي عام 1862، حاول أوتو إنتاج محرك لتحسين كفاءة وموثوقية محرك لينوار المتدنية. حاول ابتكار محرك يضغط خليط الوقود قبل الاشتعال، لكنه فشل إذ لم يكن يعمل لأكثر من بضع دقائق قبل أن يتعطل. حاول العديد من المهندسين الآخرين حل المشكلة، دون جدوى. ^{[ 2 ]}

في عام 1864، أسس أوتو ويوجين لانجن أول شركة لإنتاج محركات الاحتراق الداخلي، وهي شركة NA Otto and Cie (شركة NA Otto). ونجحت الشركة في ابتكار محرك يعمل بالهواء المضغوط في العام نفسه. ^{[ 2 ]} ونظرًا لضيق المساحة في المصنع، نُقل إلى مدينة دويتز الألمانية عام 1869، حيث أُعيد تسمية الشركة إلى شركة دويتز لتصنيع محركات الغاز (Deutz Gasmotorenfabrik AG ). ^{[ 2 ]} وفي عام 1872، تولى غوتليب دايملر منصب المدير الفني، بينما تولى فيلهلم مايباخ منصب رئيس قسم تصميم المحركات. وكان دايملر صانع أسلحة عمل على محرك لينوار. وبحلول عام 1876، نجح أوتو ولانجن في ابتكار أول محرك احتراق داخلي يضغط خليط الوقود قبل الاحتراق، مما حقق كفاءة أعلى بكثير من أي محرك آخر صُنع حتى ذلك الحين.

ترك دايملر ومايباخ عملهما في شركة أوتو وشركاه، وطورا أول محرك أوتو عالي السرعة عام 1883. وفي عام 1885، أنتجا أول سيارة مزودة بمحرك أوتو. استخدمت سيارة دايملر رايتفاجن نظام إشعال بالأنابيب الساخنة ووقود الليغروين، لتصبح أول مركبة في العالم تعمل بمحرك احتراق داخلي. استخدمت هذه السيارة محركًا رباعي الأشواط مبنيًا على تصميم أوتو. وفي العام التالي، أنتج كارل بنز سيارة بمحرك رباعي الأشواط تُعتبر أول سيارة في العالم. ^{[ 3 ]}

في عام 1884، طورت شركة أوتو، التي كانت تُعرف آنذاك باسم Gasmotorenfabrik Deutz (GFD)، نظام الإشعال الكهربائي والمكربن. وفي عام 1890، أسس دايملر ومايباخ شركةً عُرفت باسم Daimler Motoren Gesellschaft . واليوم، تُعرف هذه الشركة باسم دايملر-بنز .

محرك دورة أتكينسون هو نوع من محركات الاحتراق الداخلي أحادية الشوط التي اخترعها جيمس أتكينسون في عام 1882. تم تصميم دورة أتكينسون لتوفير الكفاءة على حساب كثافة الطاقة ، وتستخدم في بعض التطبيقات الكهربائية الهجينة الحديثة.

سمح محرك المكبس الأصلي ذو دورة أتكينسون بحدوث أشواط السحب والضغط والقدرة والعادم لدورة الأشواط الأربعة في دورة واحدة لعمود المرفق، وقد صُمم لتجنب انتهاك براءات اختراع معينة تغطي محركات دورة أوتو. ^{[ 4 ]}

بفضل تصميم عمود المرفق الفريد في محرك أتكينسون، يمكن أن تختلف نسبة التمدد عن نسبة الانضغاط، ومع شوط قدرة أطول من شوط الانضغاط، يحقق المحرك كفاءة حرارية أعلى من محرك المكبس التقليدي. ورغم أن تصميم أتكينسون الأصلي لا يعدو كونه تحفة تاريخية، إلا أن العديد من المحركات الحديثة تستخدم توقيتًا غير تقليدي للصمامات لتحقيق تأثير شوط انضغاط أقصر/شوط قدرة أطول، وبالتالي تحقيق تحسينات في استهلاك الوقود التي توفرها دورة أتكينسون. ^{[ 5 ]}

يُعدّ محرك الديزل تطويرًا تقنيًا لمحرك دورة أوتو الذي طُوّر عام 1876. فبينما أدرك أوتو عام 1861 إمكانية زيادة كفاءة المحرك بضغط خليط الوقود قبل إشعاله، سعى رودولف ديزل إلى تطوير نوع أكثر كفاءة من المحركات يعمل بوقود أثقل بكثير. صُممت محركات لينوار ، وأوتو الجوية، وأوتو الضاغطة (عامي 1861 و1876) للعمل بغاز الإضاءة (غاز الفحم) . وبدافع مماثل لدافع أوتو، أراد ديزل ابتكار محرك يمنح الشركات الصناعية الصغيرة مصدر طاقة خاصًا بها، ما يمكّنها من منافسة الشركات الكبرى، ومثل أوتو، التحرر من الاعتماد على إمدادات الوقود البلدية. وكما فعل أوتو، استغرق إنتاج محرك الضغط العالي القادر على إشعال الوقود المرشوش في الأسطوانة ذاتيًا أكثر من عقد من الزمان. استخدم ديزل رذاذ الهواء مع الوقود في محركه الأول.

خلال مرحلة التطوير الأولية، انفجر أحد المحركات، وكاد أن يودي بحياة ديزل. لكنه ثابر، ونجح في النهاية في ابتكار محرك ناجح عام 1893. ويُطلق الآن على محرك الضغط العالي، الذي يشعل وقوده بحرارة الضغط، اسم محرك الديزل، سواء كان تصميمه رباعي الأشواط أو ثنائي الأشواط.

يُستخدم محرك الديزل رباعي الأشواط في معظم التطبيقات الثقيلة منذ عقود. وهو يستخدم وقودًا ثقيلًا يحتوي على طاقة أكبر ويتطلب عمليات تكرير أقل لإنتاجه. وتعمل محركات دورة أوتو الأكثر كفاءة بكفاءة حرارية تقارب 30%.

تُحدد كمية الهواء الداخلة إلى المحرك الحد الأقصى للطاقة المُولدة. وترتبط هذه الطاقة في محركات المكابس بحجمها (حجم الأسطوانة)، ونوعها ( ثنائية الأشواط أو رباعية الأشواط)، وكفاءتها الحجمية ، والفقد في الطاقة، ونسبة الهواء إلى الوقود، والقيمة الحرارية للوقود، ومحتوى الأكسجين في الهواء، وسرعة دورانها ( عدد دورات المحرك في الدقيقة ). وتُحدَّد السرعة القصوى في نهاية المطاف بقوة المواد المستخدمة في تصنيعها وتزييتها . وتتعرض الصمامات والمكابس وأذرع التوصيل لقوى تسارع شديدة. عند السرعات العالية للمحرك، قد يحدث كسر مادي واهتزاز في حلقات المكبس ، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة أو حتى تلف المحرك. يحدث اهتزاز حلقات المكبس عندما تتذبذب الحلقات عموديًا داخل أخاديد المكبس. ويؤدي هذا الاهتزاز إلى إضعاف الإحكام بين الحلقة وجدار الأسطوانة، مما يتسبب في فقدان ضغط الأسطوانة والطاقة. وإذا دار المحرك بسرعة كبيرة، فلن تتمكن نوابض الصمامات من العمل بالسرعة الكافية لإغلاقها. يُشار إلى هذه الظاهرة عادةً باسم " ارتخاء الصمام "، وقد تؤدي إلى تلامس المكبس مع الصمام، مما يُلحق ضرراً بالغاً بالمحرك. عند السرعات العالية، يميل تزييت سطح التلامس بين المكبس وجدار الأسطوانة إلى التدهور. وهذا يحد من سرعة المكبس في المحركات الصناعية إلى حوالي 10  أمتار في الثانية.

يستطيع محرك الاحتراق الداخلي، في المتوسط، تحويل 40-45% فقط من الطاقة المُزوَّدة إلى شغل ميكانيكي. ويُهدر جزء كبير من هذه الطاقة على شكل حرارة تُطلق في البيئة عبر سائل التبريد والزعانف وغيرها. وإذا أمكن بطريقة ما استخلاص هذه الحرارة المهدرة وتحويلها إلى طاقة ميكانيكية، فسيتحسن أداء المحرك و/أو كفاءته في استهلاك الوقود من خلال رفع الكفاءة الإجمالية للدورة. وقد وُجد أن استعادة 6% فقط من الحرارة المهدرة بالكامل كفيلة بزيادة كفاءة المحرك بشكل كبير. ^{[ 8 ]}

تم ابتكار العديد من الطرق لاستخلاص الحرارة المهدرة من عادم المحرك واستخدامها لاحقًا لإنتاج طاقة مفيدة، مما يقلل من ملوثات العادم في الوقت نفسه. ويمكن أن يكون استخدام دورة رانكين ، والشحن التوربيني ، وتوليد الطاقة الكهروحرارية مفيدًا للغاية كنظام لاستعادة الحرارة المهدرة .

نسبة طول ذراع التوصيل إلى شوط المكبس هي نسبة طول ذراع التوصيل إلى طول شوط المكبس. يقلل ذراع التوصيل الأطول من الضغط الجانبي للمكبس على جدار الأسطوانة وقوى الإجهاد، مما يزيد من عمر المحرك. ولكنه يزيد أيضًا من التكلفة وارتفاع المحرك ووزنه.

المحرك المربع هو محرك يكون قطر أسطوانته مساوياً لطول شوطه. أما المحرك الذي يكون قطر أسطوانته أكبر من طول شوطه فيُسمى محركاً مربعاً زائداً ، وعلى العكس، يُسمى المحرك الذي يكون قطر أسطوانته أصغر من طول شوطه محركاً مربعاً ناقصاً.

تُشغَّل الصمامات عادةً بواسطة عمود كامات يدور بنصف سرعة عمود المرفق . يحتوي عمود الكامات على عمود كامات واحد أو أكثر على طوله، كل منها مصمم لفتح صمام واحد أو أكثر خلال الجزء المناسب من شوط السحب أو العادم. يمثل ذراع التأرجح أو الرافعة بين الصمام وعمود الكامات السطح الذي يضغط عليه عمود الكامات لفتح الصمام. تستخدم العديد من المحركات عمود كامات واحدًا أو أكثر "فوق" صف (أو كل صف) من الأسطوانات، كما هو موضح في الرسم التوضيحي، حيث يُشغِّل كل عمود كامات صمامًا مباشرةً من خلال رافعة مسطحة. في تصميمات محركات أخرى، يكون عمود الكامات داخل علبة المرافق ، وفي هذه الحالة يتصل كل عمود كامات عادةً بقضيب دفع ، والذي يتصل بدوره بذراع تأرجح يفتح الصمام، أو في حالة محرك ذي صمامات جانبية، لا يكون قضيب الدفع ضروريًا. يسمح تصميم عمود الكامات العلوي عادةً بسرعات محرك أعلى لأنه يوفر المسار الأكثر مباشرة بين عمود الكامات والصمام.

تتميز محركات أوتو بكفاءة تبلغ حوالي 30%؛ أي أن 30% من الطاقة الناتجة عن الاحتراق تُحوّل إلى طاقة دورانية مفيدة عند عمود خرج المحرك، بينما يُفقد الباقي على شكل حرارة مهدرة واحتكاك وملحقات المحرك. ^{[ 9 ]} توجد عدة طرق لاستعادة جزء من الطاقة المفقودة على شكل حرارة مهدرة. يُعد استخدام الشاحن التوربيني في محركات الديزل فعالاً للغاية، حيث يزيد من ضغط الهواء الداخل، مما يُحقق زيادة في الأداء تُعادل زيادة سعة المحرك. وقد طورت شركة ماك للشاحنات، منذ عقود، نظامًا توربينيًا يُحوّل الحرارة المهدرة إلى طاقة حركية تُعاد إلى ناقل الحركة في المحرك. وفي عام 2005، أعلنت شركة بي إم دبليو عن تطوير نظام التوربو ستيمر ، وهو نظام ثنائي المراحل لاستعادة الحرارة، مشابه لنظام ماك، حيث يستعيد 80% من الطاقة الموجودة في غاز العادم، ويرفع كفاءة محرك أوتو بنسبة 15%. ^{[ 10 ]} على النقيض من ذلك، قد يقلل محرك ذو ستة أشواط من استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 40٪.

غالبًا ما تُصمَّم المحركات الحديثة عمدًا لتكون أقل كفاءةً بقليل مما يُمكن أن تكون عليه. وهذا ضروري للتحكم في الانبعاثات ، مثل إعادة تدوير غازات العادم والمحولات الحفزية التي تُقلل من الضباب الدخاني والملوثات الجوية الأخرى. ويمكن مُعالجة انخفاض الكفاءة باستخدام وحدة تحكم المحرك التي تعتمد على تقنيات الاحتراق الهزيل . ^{[ 11 ]}

في الولايات المتحدة، يُلزم قانون متوسط ​​استهلاك الوقود للشركات أن تحقق المركبات معدل استهلاك يبلغ 34.9 ميلًا _{للغالون الأمريكي} (6.7 لتر/100 كم؛ 41.9 ميلًا _{للغالون الإمبراطوري} ) مقارنةً بالمعيار الحالي البالغ 25 ميلًا _{للغالون الأمريكي} (9.4 لتر/100 كم؛ 30.0 ميلًا للغالون _{الإمبراطوري )} . [ ^{12 ] ومع} سعي شركات صناعة السيارات إلى تلبية هذه المعايير بحلول عام 2016، بات من الضروري النظر في طرق جديدة لهندسة محركات الاحتراق الداخلي التقليدية . تشمل بعض الحلول المحتملة لزيادة كفاءة استهلاك الوقود لتلبية المتطلبات الجديدة، إطلاق الشرارة بعد أن يكون المكبس في أبعد نقطة عن عمود المرفق، والمعروفة باسم النقطة الميتة العليا ، وتطبيق دورة ميلر . من شأن هذا التصميم الجديد مجتمعًا أن يقلل بشكل كبير من استهلاك الوقود وانبعاثات _أكاسيد النيتروجين .