محرك غازي

كانت هناك العديد من التجارب على محركات الغاز في القرن التاسع عشر، ولكن أول محرك احتراق داخلي يعمل بالغاز تم بناؤه بواسطة المهندس البلجيكي إتيان لينوار في عام 1860. ^{[ 2 ]} ومع ذلك، عانى محرك لينوار من انخفاض إنتاج الطاقة وارتفاع استهلاك الوقود.

قام المهندس الألماني نيكولاس أوغست أوتو بتطوير وتحسين عمل لينوار ، والذي اخترع لاحقًا أول محرك رباعي الأشواط يحرق الوقود بكفاءة مباشرة في حجرة المكبس. في أغسطس 1864، التقى أوتو بيوجين لانجن ، الذي أدرك، بفضل تدريبه التقني، إمكانات تطوير أوتو، وبعد شهر من اللقاء، أسس أول مصنع للمحركات في العالم، شركة NA Otto & Cie، في كولونيا. في عام 1867، حصل أوتو على براءة اختراع لتصميمه المُحسّن، وفاز بالجائزة الكبرى في معرض باريس العالمي عام 1867. يعمل هذا المحرك الجوي عن طريق سحب خليط من الغاز والهواء إلى أسطوانة رأسية. عندما يرتفع المكبس حوالي ثماني بوصات، يُشعل خليط الغاز والهواء بواسطة شعلة صغيرة خارجية، مما يدفع المكبس (المتصل برف مسنن) إلى أعلى، مُحدثًا فراغًا جزئيًا أسفله. لا يُبذل أي شغل في شوط الصعود. يتم إنجاز العمل عندما يهبط المكبس والجريدة المسننة تحت تأثير الضغط الجوي ووزنهما، مما يؤدي إلى دوران العمود الرئيسي وعجلات الموازنة أثناء هبوطهما. وتكمن ميزته على محرك البخار الموجود آنذاك في إمكانية تشغيله وإيقافه عند الحاجة، مما يجعله مثالياً للأعمال المتقطعة مثل تحميل أو تفريغ البوارج. ^{[ 3 ]}

استُبدل محرك الغاز الجوي بدوره بمحرك أوتو رباعي الأشواط . وكان التحول إلى المحركات رباعية الأشواط سريعًا بشكل ملحوظ، حيث صُنعت آخر المحركات الجوية في عام 1877. وسرعان ما تبعتها المحركات التي تعمل بالوقود السائل باستخدام الديزل (حوالي عام 1898) أو البنزين (حوالي عام 1900).

كان كروسلي من مانشستر أشهر صانعي محركات الغاز في المملكة المتحدة ، وقد حصل عام 1869 على حقوق براءات اختراع أوتو ولانجن لمحرك الغاز الجوي الجديد في المملكة المتحدة والعالم (باستثناء ألمانيا). وفي عام 1876، حصلوا على حقوق محرك أوتو رباعي الأشواط الأكثر كفاءة. ويُعرض أحد هذه المحركات في متحف العلوم والصناعة في مانشستر ^{[ 4 ].}

كانت هناك عدة شركات أخرى مقرها في منطقة مانشستر أيضاً. باعت شركة تانجي المحدودة ، من سميثويك، بالقرب من برمنغهام، أول محرك غازي لها، وهو من النوع ثنائي الأشواط بقوة حصان واحد اسمياً ، في عام 1881، وفي عام 1890 بدأت الشركة في تصنيع محرك الغاز رباعي الأشواط. ^{[ 5 ]}

يضم متحف أنسون للمحركات في بوينتون ، بالقرب من ستوكبورت ، إنجلترا ، مجموعة من المحركات تشمل العديد من محركات الغاز العاملة، بما في ذلك أكبر محرك كروسلي جوي عامل تم تصنيعه على الإطلاق. كما يُعرض محرك روبنسون AE & H بحجم 3/4 في متحف العلوم والصناعة في مانشستر ^{[ 6 ] .}

تشمل التطبيقات النموذجية أنظمة توليد الطاقة الأساسية أو أنظمة توليد الطاقة لساعات طويلة، بما في ذلك أنظمة التوليد المشترك للحرارة والطاقة (للاطلاع على بيانات الأداء النموذجية، انظر ^{[ 8 ]} )، وغاز مدافن النفايات ، وغاز المناجم ، وغاز آبار النفط ، والغاز الحيوي ، حيث يمكن استخدام الحرارة المهدرة من المحرك لتسخين خزانات التخمير. للاطلاع على معايير تركيب محركات الغاز الحيوي النموذجية، انظر ^{[ 9 ]} . للاطلاع على معايير نظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة بمحرك غاز كبير، كما هو مُركّب في المصانع، انظر ^{[ 10 ]} . نادرًا ما تُستخدم محركات الغاز في تطبيقات الطاقة الاحتياطية، التي لا تزال حكرًا على محركات الديزل. ويُستثنى من ذلك  مولدات الطوارئ الصغيرة (أقل من 150 كيلوواط) التي غالبًا ما تُركّب في المزارع والمتاحف والشركات الصغيرة والمنازل. يمكن توصيل هذه المولدات إما بالغاز الطبيعي من الشبكة العامة أو بالبروبان من خزانات التخزين الموجودة في الموقع، ويمكن ضبطها للتشغيل التلقائي عند انقطاع التيار الكهربائي.

تتوسع محركات الغاز الطبيعي المسال (LNG) في السوق البحرية، حيث يمكن لمحرك الغاز ذي الاحتراق الهزيل تلبية متطلبات الانبعاثات الجديدة دون الحاجة إلى أي معالجة إضافية للوقود أو أنظمة تنظيف العادم. كما يتزايد استخدام المحركات التي تعمل بالغاز الطبيعي المضغوط (CNG) في قطاع الحافلات . ومن بين مستخدميها في المملكة المتحدة شركة ريدينغ باصز . ويدعم تحالف حافلات الغاز استخدام حافلات الغاز ^{[ 11 ]} ، ومن بين الشركات المصنعة شركة سكانيا إيه بي ^{[ 12 ]} .

يختلف محرك الغاز عن محرك البنزين في طريقة مزج الوقود والهواء. يستخدم محرك البنزين المكربن ​​أو نظام حقن الوقود ، بينما يستخدم محرك الغاز غالبًا نظام فنتوري بسيط لإدخال الغاز إلى تدفق الهواء. استخدمت محركات الغاز القديمة نظامًا ثلاثي الصمامات، مع صمامات دخول منفصلة للهواء والغاز.

تكمن نقطة ضعف محرك الغاز مقارنةً بمحرك الديزل في صمامات العادم، إذ تكون غازات عادم محرك الغاز أكثر سخونة بكثير عند نفس القدرة، مما يحد من القدرة الناتجة. لذا، عادةً ما يتمتع محرك الديزل من نفس الشركة المصنعة بقدرة قصوى أعلى من محرك الغاز ذي الحجم نفسه. يحتوي محرك الديزل عمومًا على ثلاثة تصنيفات مختلفة  : وضع الاستعداد، والتشغيل الأساسي، والتشغيل المستمر (المعروفة في المملكة المتحدة بتصنيف ساعة واحدة، وتصنيف 12 ساعة، والتشغيل المستمر)، بينما يحتوي محرك الغاز عادةً على تصنيف تشغيل مستمر واحد فقط، وهو أقل من تصنيف التشغيل المستمر لمحرك الديزل.

استُخدمت أنظمة إشعال متنوعة، بما في ذلك مشعلات الأنابيب الساخنة والإشعال الشراري . بعض محركات الغاز الحديثة هي في الأساس محركات ثنائية الوقود . المصدر الرئيسي للطاقة هو خليط الغاز والهواء، ولكن يتم إشعاله عن طريق حقن كمية صغيرة من وقود الديزل .

تتراوح الكفاءة الحرارية لمحركات الغاز التي تعمل بالغاز الطبيعي عادةً بين 35 و45% ( على أساس القيمة الحرارية الصافية ). ^{[ 14 ]} اعتبارًا من عام 2018، يمكن لأفضل المحركات أن تصل كفاءتها الحرارية إلى 50% (على أساس القيمة الحرارية الصافية). ^{[ 15 ]} عادةً ما تكون هذه المحركات متوسطة السرعة . تتولد طاقة الوقود في عمود الإخراج، ويظهر الباقي على شكل حرارة مهدرة. ^{[ 10 ]} المحركات الكبيرة أكثر كفاءة من المحركات الصغيرة. تتميز محركات الغاز التي تعمل بالغاز الحيوي بكفاءة أقل قليلاً (حوالي 1-2%)، ويؤدي استخدام الغاز التخليقي إلى انخفاض الكفاءة بشكل أكبر. كان محرك J624 من شركة GE Jenbacher، الذي طُرح عام 2013، أول محرك غاز عالي الكفاءة في العالم يعمل بالميثان ويتكون من 24 أسطوانة. ^{[ 16 ]}

عند تقييم كفاءة المحرك، ينبغي مراعاة ما إذا كانت تستند إلى القيمة الحرارية الصغرى (LHV) أو القيمة الحرارية الكبرى (HHV) للغاز. عادةً ما تُحدد شركات تصنيع المحركات الكفاءة بناءً على القيمة الحرارية الصغرى للغاز، أي الكفاءة بعد استهلاك الطاقة اللازمة لتبخير الرطوبة الموجودة في الغاز نفسه. أما شبكات توزيع الغاز، فتُحدد كفاءتها عادةً بناءً على القيمة الحرارية الكبرى للغاز، أي إجمالي محتوى الطاقة. على سبيل المثال، قد تكون كفاءة المحرك المُعلنة بناءً على القيمة الحرارية الصغرى 44%، بينما قد تكون كفاءة المحرك نفسه 39.6% بناءً على القيمة الحرارية الكبرى عند استخدام الغاز الطبيعي. من المهم أيضًا التأكد من إجراء مقارنات الكفاءة على أساس متكافئ. على سبيل المثال، تستخدم بعض الشركات مضخات تعمل ميكانيكيًا، بينما تستخدم شركات أخرى مضخات تعمل بالكهرباء لتبريد المحرك، وقد يتم تجاهل استهلاك الكهرباء أحيانًا، مما يُعطي كفاءة ظاهرية عالية بشكل خاطئ مقارنةً بمحركات الدفع المباشر.

يمكن استخدام الحرارة المنبعثة من المحرك لتدفئة المباني أو تسخين العمليات الصناعية. في المحرك، ينشأ ما يقارب نصف الحرارة المهدرة (من غلاف المحرك، ومبرد الزيت، ودائرة التبريد اللاحق) على شكل ماء ساخن، قد تصل درجة حرارته إلى 110  درجة مئوية. أما النصف الآخر فينشأ على شكل حرارة عالية يمكن استخدامها لتوليد ماء ساخن مضغوط أو بخار باستخدام مبادل حراري لغازات العادم .

أكثر أنواع المحركات شيوعًا هي المحركات المبردة بالهواء والمحركات المبردة بالماء . وتستخدم المحركات المبردة بالماء حاليًا مانع التجمد في محرك الاحتراق الداخلي.

تحتوي بعض المحركات (الهوائية أو المائية) على مبرد زيت إضافي.

التبريد ضروري لإزالة الحرارة الزائدة، حيث أن ارتفاع درجة الحرارة يمكن أن يتسبب في تعطل المحرك، وعادة ما يكون ذلك بسبب التآكل أو التشقق أو التشويه.

توضح الصيغة متطلبات تدفق الغاز لمحرك الغاز في الظروف العادية عند الحمل الكامل.

${\displaystyle Q={\frac {P}{\eta }}\cdot {\frac {1}{LHV_{gas}}}}$

أين:

• ${\displaystyle Q}$هل تدفق الغاز في الظروف العادية
• ${\displaystyle {P}}$قوة المحرك
• ${\displaystyle {\eta }}$الكفاءة الميكانيكية
• LHV هي القيمة الحرارية المنخفضة للغاز