محرك ترددي

المحرك الترددي ، المعروف أيضًا باسم محرك المكبس ، هو محرك حراري يستخدم مكبسًا واحدًا أو أكثر للتحرك الترددي وتحويل درجات الحرارة والضغط العاليين إلى حركة دورانية . ^{[ 1 ]} تتناول هذه المقالة الخصائص المشتركة لجميع أنواع محركات الاحتراق الداخلي. وتشمل الأنواع الرئيسية: محرك الاحتراق الداخلي ، المستخدم على نطاق واسع في المركبات ؛ ومحرك البخار ، الذي كان ركيزة الثورة الصناعية ؛ ومحرك ستيرلينغ المستخدم في تطبيقات متخصصة. يُصنف محرك الاحتراق الداخلي إلى نوعين: محرك الإشعال بالشرارة (SI) ، حيث تبدأ شمعة الإشعال عملية الاحتراق؛ ومحرك الإشعال بالضغط (CI) ، حيث يُضغط الهواء داخل الأسطوانة، مما يؤدي إلى تسخينه، ثم يُشعل الهواء الساخن الوقود الذي يُحقن بعد ذلك، كما في محرك الديزل ، أو سابقًا في محرك المصباح الساخن . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

قد يحتوي المحرك على مكبس واحد أو أكثر. يقع كل مكبس داخل أسطوانة يُضخ إليها غاز، إما مضغوط مسبقًا (مثل محرك البخار )، أو مُسخّن داخل الأسطوانة إما عن طريق اشتعال خليط من الوقود والهواء ( محرك الاحتراق الداخلي ) أو عن طريق ملامسته لمبادل حراري ساخن داخل الأسطوانة ( محرك ستيرلينغ ). تتمدد الغازات الساخنة، دافعةً المكبس إلى أسفل الأسطوانة. يُعرف هذا الموضع أيضًا بالنقطة الميتة السفلى (BDC)، أو حيث يشكل المكبس أكبر حجم له داخل الأسطوانة. يعود المكبس إلى أعلى الأسطوانة (النقطة الميتة العليا) (TDC) بواسطة دولاب الموازنة ، أو الطاقة من مكابس أخرى متصلة بنفس العمود، أو (في الأسطوانة مزدوجة الفعل ) بنفس العملية التي تعمل على الجانب الآخر من المكبس. هنا يشكل المكبس أصغر حجم له داخل الأسطوانة. في معظم الأنواع، تُزال الغازات المتمددة أو " المُستنفدة " من الأسطوانة بهذه الشوطة . الاستثناء هو محرك ستيرلينغ ، الذي يُسخّن ويُبرّد نفس كمية الغاز المغلقة بشكل متكرر. الشوط هو ببساطة المسافة بين النقطة الميتة العليا والنقطة الميتة السفلى، أو أكبر مسافة يمكن أن يقطعها المكبس في اتجاه واحد.

في بعض التصاميم، قد يتم تحريك المكبس في كلا الاتجاهين داخل الأسطوانة، وفي هذه الحالة يقال إنه مزدوج الفعل .

في معظم أنواع المحركات الترددية، تُحوَّل الحركة الخطية للمكبس إلى حركة دورانية عبر ذراع توصيل وعمود مرفقي ، أو بواسطة لوحة مائلة أو آلية مناسبة أخرى. غالبًا ما تُستخدم دولاب الموازنة لضمان دوران سلس أو لتخزين الطاقة اللازمة لتشغيل المحرك خلال جزء غير مُزوَّد بالطاقة من الدورة. كلما زاد عدد أسطوانات المحرك الترددي، كلما كان تشغيله أكثر سلاسة وخالية من الاهتزازات. تتناسب قدرة المحرك الترددي طرديًا مع حجم إزاحة المكابس مجتمعة.

يجب إحكام إغلاق الفراغ بين المكبس المنزلق وجدران الأسطوانة لمنع تسرب الغاز عالي الضغط فوق المكبس، مما يقلل من كفاءة المحرك. ويتم هذا الإغلاق عادةً بواسطة حلقة أو أكثر من حلقات المكبس . هذه الحلقات مصنوعة من معدن صلب، وتُركّب في أخدود دائري في رأس المكبس. تتلاءم الحلقات بإحكام مع الأخدود وتضغط برفق على جدار الأسطوانة لتشكيل مانع للتسرب، ويزداد الضغط عند انتقال ضغط الاحتراق العالي إلى أسطحها الداخلية.

من الشائع تصنيف هذه المحركات حسب عدد الأسطوانات وترتيبها، وحجم الغاز المزاح بواسطة المكابس المتحركة داخل الأسطوانات، والذي يُقاس عادةً بالسنتيمتر المكعب (سم³ ^أو سم³) أو اللتر (ل) (لتر). على سبيل المثال، في محركات الاحتراق الداخلي، يشيع استخدام تصميمات الأسطوانة الواحدة أو الأسطوانتين في المركبات الصغيرة كالدراجات النارية ، بينما تحتوي السيارات عادةً على ما بين أربع وثماني أسطوانات، وقد تحتوي القاطرات والسفن على اثنتي عشرة أسطوانة أو أكثر. تتراوح سعات الأسطوانات من 10  سم³ أو ^أقل في المحركات النموذجية إلى آلاف اللترات في محركات السفن. ^{[ 7 ]}

تؤثر نسبة الانضغاط على أداء معظم أنواع المحركات الترددية. وهي النسبة بين حجم الأسطوانة عندما يكون المكبس في أسفل شوطه، وحجمها عندما يكون المكبس في أعلى شوطه.

نسبة القطر إلى الشوط هي نسبة قطر المكبس، أو " القطر الداخلي "، إلى طول شوطه داخل الأسطوانة، أو "الشوط". إذا كانت هذه النسبة قريبة من 1، يُقال إن المحرك "مربع". إذا كانت أكبر من 1، أي أن القطر الداخلي أكبر من الشوط، يُقال إنه "مربع كبير". إذا كانت أقل من 1، أي أن الشوط أكبر من القطر الداخلي، يُقال إنه "مربع صغير".

قد تُرتب الأسطوانات في خط مستقيم ، أو على شكل حرف V ، أو أفقياً متقابلة ، أو شعاعياً حول عمود المرفق. في محركات المكابس المتقابلة، يعمل مكبسان عند طرفي الأسطوانة نفسها، وقد تم تطوير هذا التصميم ليشمل ترتيبات مثلثة مثل محرك نابيير ديلتيك . في بعض التصاميم، تدور الأسطوانات حول العمود، كما هو الحال في المحرك الدوار .

في بعض المحركات البخارية، قد تختلف أحجام الأسطوانات، حيث تعمل الأسطوانة ذات القطر الأصغر على تشغيل البخار ذي الضغط الأعلى. ثم يُمرر هذا البخار عبر أسطوانة أو أكثر ذات أقطار متزايدة، لاستخلاص الطاقة منه عند ضغوط أقل. تُسمى هذه المحركات بالمحركات المركبة .

إلى جانب النظر إلى القدرة التي يمكن للمحرك توليدها، يمكن أيضًا استخدام متوسط ​​الضغط الفعال (MEP) لمقارنة القدرة الناتجة وأداء المحركات الترددية من نفس الحجم. متوسط ​​الضغط الفعال هو الضغط الافتراضي الذي يُنتج نفس مقدار الشغل الصافي المُنتج خلال دورة شوط القدرة. ويُوضح ذلك من خلال:

${\displaystyle W_{net}={\text{MEP}}\cdot A_{p}S={\text{MEP}}\cdot V_{d}}$

أين${\displaystyle A_{p}}$تمثل المساحة الإجمالية للمكبس في المحرك،${\displaystyle S}$يمثل طول شوط المكابس، و${\displaystyle V_{d}}$يمثل حجم الإزاحة الكلي للمحرك. لذلك:

${\displaystyle {\text{MEP}}={\frac {W_{net}}{V_{d}}}}$

أي محرك ذي قيمة MEP أكبر ينتج عملاً صافياً أكبر لكل دورة ويؤدي أداءً أكثر كفاءة. ^{[ 2 ]}

في محركات البخار ومحركات الاحتراق الداخلي، تُستخدم الصمامات للسماح بدخول وخروج الغازات في الأوقات المناسبة خلال دورة المكبس. وتُشغَّل هذه الصمامات بواسطة كاميرات أو أجزاء لا مركزية أو أعمدة مرفقية تُدار بواسطة عمود المحرك. استخدمت التصاميم المبكرة صمام الانزلاق D ، ولكن تم استبداله إلى حد كبير بتصاميم صمامات المكبس أو صمامات الفراشة . في محركات البخار، تُسمى النقطة التي يُغلق عندها صمام دخول البخار في دورة المكبس بنقطة القطع ، ويمكن التحكم بها غالبًا لضبط عزم الدوران الذي يوفره المحرك وتحسين كفاءته. في بعض محركات البخار، يمكن استبدال عمل الصمامات بأسطوانة متذبذبة .

تعمل محركات الاحتراق الداخلي من خلال سلسلة من الأشواط التي تسمح بدخول الغازات إلى الأسطوانة وخروجها منها. تتكرر هذه العمليات بشكل دوري، ويُصنف المحرك إلى ثنائي الأشواط أو رباعي الأشواط أو سداسي الأشواط بناءً على عدد الأشواط اللازمة لإكمال دورة واحدة.

النوع الأكثر شيوعاً هو رباعي الأشواط، والذي يتكون من الدورات التالية.

1. السحب : يُعرف أيضًا بالحث أو الشفط. تبدأ شوط المكبس هذا من النقطة الميتة العليا (TDC) وتنتهي عند النقطة الميتة السفلى (BDC). في هذا الشوط، يجب أن يكون صمام السحب مفتوحًا بينما يسحب المكبس خليط الهواء والوقود إلى داخل الأسطوانة عن طريق توليد ضغط فراغي داخلها من خلال حركته الهابطة. يتحرك المكبس للأسفل بينما يُسحب الهواء بفعل حركته الهابطة.
2. شوط الضغط : يبدأ هذا الشوط عند النقطة الميتة السفلى، أو عند نهاية شوط السحب مباشرةً، وينتهي عند النقطة الميتة العليا. في هذا الشوط، يضغط المكبس خليط الهواء والوقود استعدادًا للاشتعال خلال شوط القدرة (الموضح أدناه). ويكون كل من صمام السحب وصمام العادم مغلقين خلال هذه المرحلة.
3. الاحتراق : يُعرف أيضًا بالقدرة أو الإشعال. هذه هي بداية الدورة الثانية من دورة الأشواط الأربعة. عند هذه النقطة، يكون عمود المرفق قد أكمل دورة كاملة بزاوية 360 درجة. بينما يكون المكبس في أعلى نقطة ميتة (نهاية شوط الضغط)، يتم إشعال خليط الهواء والوقود المضغوط بواسطة شمعة الإشعال (في محرك البنزين) أو بواسطة الحرارة المتولدة من الضغط العالي (في محركات الديزل)، مما يعيد المكبس بقوة إلى أسفل نقطة ميتة. ينتج عن هذا الشوط شغل ميكانيكي من المحرك لتدوير عمود المرفق.
4. العادم : يُعرف أيضًا باسم المخرج. خلال شوط العادم ، يعود المكبس من النقطة الميتة السفلى إلى النقطة الميتة العليا بينما يكون صمام العادم مفتوحًا. يؤدي هذا إلى طرد خليط الهواء والوقود المحترق عبر صمام العادم.

طُوِّر المحرك الترددي في أوروبا خلال القرن الثامن عشر، بدايةً كمحرك جوي ثم لاحقاً كمحرك بخاري . وتلا ذلك محرك ستيرلينغ ومحرك الاحتراق الداخلي في القرن التاسع عشر. واليوم، يُعد محرك الاحتراق الداخلي الشكل الأكثر شيوعاً للمحركات الترددية، حيث يعمل بالبنزين أو الديزل أو غاز البترول المسال أو الغاز الطبيعي المضغوط ، ويُستخدم لتشغيل المركبات ومحطات توليد الطاقة .

كان محرك برات آند ويتني R-4360 واسب ماجور الشعاعي ، ذو 28 أسطوانة وقوة 3500 حصان (2600 كيلوواط)، أحد أبرز المحركات الترددية التي ظهرت خلال الحرب العالمية الثانية . وقد زوّد هذا المحرك الجيل الأخير من الطائرات الكبيرة ذات المحركات المكبسية بالطاقة قبل أن تحل المحركات النفاثة والتوربينية محلها بدءًا من عام 1944. بلغت سعته الإجمالية 71.5 لترًا (4360 بوصة مكعبة) ، وتميز بنسبة عالية بين القدرة والوزن .     

يُعدّ محرك الديزل ثنائي الأشواط المزود بشاحن توربيني من طراز Wärtsilä-Sulzer RTA96-C، الذي أنتجته شركة Wärtsilä عام 2006، أكبر محرك ترددي قيد الإنتاج حاليًا، ولكنه ليس الأكبر على الإطلاق. يُستخدم هذا المحرك لتشغيل أكبر سفن الحاويات الحديثة، مثل سفينة Emma Mærsk . يبلغ ارتفاعه خمسة طوابق ( 13.5 مترًا أو 44 قدمًا )، وطوله 27 مترًا (89 قدمًا) ، ويزن أكثر من 2300 طن متري (2535 طنًا أمريكيًا ؛ 2264 طنًا أمريكيًا ) في أكبر إصداراته ذات 14 أسطوانة، حيث يُنتج أكثر من 84.42 ميغاواط (113209 حصانًا) . تبلغ سعة كل أسطوانة 1820 لترًا (64 قدمًا مكعبًا ) ، ليصل إجمالي السعة إلى 25480 لترًا (900 قدم مكعب ) في أكبر إصداراته.            

في محركات المكابس، تُعرف سعة المحرك بإزاحته ، أي حجم الهواء الذي تشغله جميع مكابس المحرك في حركة واحدة. تُقاس السعة عادةً باللتر (لتر) أو البوصة المكعبة (بوصة مكعبة  ) للمحركات الكبيرة، وبالسنتيمتر المكعب (سم ^مكعب ) للمحركات الصغيرة. وبافتراض ثبات جميع العوامل الأخرى، تكون المحركات ذات السعات الأكبر أقوى، ويزداد استهلاك الوقود تبعًا لذلك (مع أن هذا لا ينطبق على جميع المحركات الترددية)، على الرغم من أن القدرة واستهلاك الوقود يتأثران بعوامل عديدة أخرى غير إزاحة المحرك.

يمكن تمييز المحركات الترددية بقدرتها النوعية ، والتي تُقاس عادةً بالكيلوواط لكل لتر من سعة المحرك (أو بالحصان لكل بوصة مكعبة في الولايات المتحدة ). تُعطي هذه النتيجة تقريبًا لأقصى قدرة خرج للمحرك. يجب عدم الخلط بين هذا وبين كفاءة استهلاك الوقود ، إذ تتطلب الكفاءة العالية غالبًا نسبة وقود إلى هواء منخفضة، وبالتالي كثافة طاقة أقل. يُنتج محرك سيارة حديثة عالية الأداء أكثر من 75 كيلوواط/لتر (1.65 حصان/بوصة ^مكعبة ) .  

لا تزال المحركات الترددية التي تعمل بالهواء المضغوط أو البخار أو الغازات الساخنة الأخرى تُستخدم في بعض التطبيقات، مثل تشغيل العديد من الطوربيدات الحديثة أو كمصدر طاقة دافعة خالٍ من التلوث. وتستخدم معظم التطبيقات التي تعمل بالبخار توربينات بخارية ، وهي أكثر كفاءة من محركات المكابس.

تستخدم مركبات FlowAIR المصممة في فرنسا الهواء المضغوط المخزن في أسطوانة لتشغيل محرك ترددي في مركبة حضرية خالية من التلوث المحلي. ^{[ 8 ]}

قد تستخدم الطوربيدات غازًا عاملًا مُنتَجًا من بيروكسيد عالي التركيز أو وقود أوتو الثاني ، والذي يتم ضغطه دون احتراق. فعلى سبيل المثال، يمكن لطوربيد مارك 46 الذي يزن 230 كيلوغرامًا (510 أرطال) أن يقطع مسافة 11 كيلومترًا (6.8 ميل) تحت الماء بسرعة 74 كيلومترًا في الساعة (46 ميلًا في الساعة) باستخدام وقود أوتو دون مؤكسد .      

المحركات الحرارية الكمومية هي أجهزة تولد الطاقة من الحرارة المتدفقة من خزان ساخن إلى خزان بارد. ويمكن وصف آلية عمل هذه المحركات بقوانين ميكانيكا الكم . أما الثلاجات الكمومية فهي أجهزة تستهلك الطاقة بهدف ضخ الحرارة من خزان بارد إلى خزان ساخن.

في محرك حراري كمومي ترددي، يكون الوسط العامل نظامًا كموميًا، مثل الأنظمة المغزلية أو المذبذب التوافقي. وتُعد دورة كارنو ودورة أوتو من أكثر الدورات دراسةً. ^{[ 9 ]} وتخضع النسخ الكمومية لقوانين الديناميكا الحرارية . إضافةً إلى ذلك، يمكن لهذه النماذج تبرير افتراضات الديناميكا الحرارية العكسية . وقد أظهرت دراسة نظرية أنه من الممكن عمليًا بناء محرك ترددي يتكون من ذرة واحدة متذبذبة. وهذا مجالٌ واعدٌ للبحث المستقبلي، وقد يكون له تطبيقات في تقنية النانو . ^{[ 10 ]}

يوجد عدد كبير من الأنواع غير المألوفة لمحركات المكابس التي تتمتع بمزايا مختلفة مزعومة، وكثير منها لا يُستخدم حاليًا إلا نادرًا إن وُجد:

• محرك بورك
• محرك ذو مكبس حر
• محرك IRIS
• محرك ذو مكابس متقابلة
• محرك محوري
• محرك كامة ^{[ 11 ]}
• محرك أسطواني دوار ^{[ 12 ]}
• محرك ذو مكبس متأرجح
• محرك حراري مغناطيسي

• فيديو الاحتراق - الاحتراق داخل الأسطوانة في محرك ثنائي الأشواط يمكن الوصول إليه بصريًا
• كيف تعمل الأشياء: كيف تعمل محركات السيارات
• محركات ترددية في إنفو بليز.
• محركات مكبسية في لجنة الاحتفال بالذكرى المئوية للطيران بالولايات المتحدة.