محرك هوائي

المحرك الهوائي ( محرك الهواء )، أو محرك الهواء المضغوط ، هو نوع من المحركات التي تقوم بعمل ميكانيكي عن طريق توسيع الهواء المضغوط . تقوم المحركات الهوائية عمومًا بتحويل طاقة الهواء المضغوط إلى عمل ميكانيكي من خلال الحركة الخطية أو الدورانية. يمكن أن تأتي الحركة الخطية إما من محرك الحجاب الحاجز أو المكبس، بينما يتم توفير الحركة الدورانية إما بواسطة محرك هوائي من نوع الريشة أو محرك هواء مكبس أو توربين هوائي أو محرك من نوع التروس.

لقد وجدت المحركات الهوائية بأشكال عديدة على مدى القرنين الماضيين، وتتراوح أحجامها من المحركات المحمولة باليد إلى المحركات التي تصل قوتها إلى عدة مئات من الأحصنة. تعتمد بعض الأنواع على المكابس والأسطوانات؛ والبعض الآخر على دوارات مشقوقة ذات ريش (محركات ريش) والبعض الآخر يستخدم التوربينات. تعمل العديد من محركات الهواء المضغوط على تحسين أدائها عن طريق تسخين الهواء الداخل أو المحرك نفسه. لقد حققت المحركات الهوائية نجاحًا واسع النطاق في صناعة الأدوات المحمولة باليد، ^[1] ولكنها تستخدم أيضًا ثابتة في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. تُبذل محاولات مستمرة لتوسيع استخدامها في صناعة النقل. ومع ذلك، يجب أن تتغلب المحركات الهوائية على عدم الكفاءة قبل أن يُنظر إليها كخيار قابل للتطبيق في صناعة النقل.

من أجل تحقيق الحركة الخطية من الهواء المضغوط، يتم استخدام نظام المكابس بشكل شائع. يتم تغذية الهواء المضغوط إلى غرفة محكمة الغلق تحتوي على عمود المكبس. أيضًا داخل هذه الغرفة يتم لف زنبرك حول عمود المكبس من أجل إبقاء الغرفة مفتوحة تمامًا عندما لا يتم ضخ الهواء إلى الغرفة. مع تغذية الهواء إلى الغرفة، تبدأ القوة على عمود المكبس في التغلب على القوة التي تمارس على الزنبرك. ^[2] مع تغذية المزيد من الهواء إلى الغرفة، يزداد الضغط ويبدأ المكبس في التحرك لأسفل الغرفة. عندما يصل إلى أقصى طول له، يتم تحرير ضغط الهواء من الغرفة ويكمل الزنبرك الدورة بإغلاق الغرفة للعودة إلى موضعه الأصلي.

المحركات المكبسية هي الأكثر استخدامًا في الأنظمة الهيدروليكية. بشكل أساسي، المحركات المكبسية هي نفس المحركات الهيدروليكية باستثناء أنها تستخدم لتحويل الطاقة الهيدروليكية إلى طاقة ميكانيكية ^[3] . ^[4]

تُستخدم محركات المكبس عادةً في سلسلة من اثنتين أو ثلاث أو أربع أو خمس أو ست أسطوانات محاطة بغلاف. يسمح هذا بتوصيل المزيد من الطاقة بواسطة المكابس لأن العديد من المحركات تكون متزامنة مع بعضها البعض في أوقات معينة من دورتها.

تتراوح الكفاءة الميكانيكية العملية التي يحققها محرك الهواء المكبسي بين 40-50٪. ^[5]

يستخدم نوع من المحركات الهوائية، المعروف باسم محرك الريشة الدوارة، الهواء لإنتاج حركة دورانية لعمود. العنصر الدوار هو دوار مشقوق مثبت على عمود دفع. كل فتحة من الدوار مزودة بريشة مستطيلة تنزلق بحرية. ^[4] يتم تمديد الريش إلى جدران الغلاف باستخدام نوابض أو حركة كام أو ضغط الهواء، اعتمادًا على تصميم المحرك. يتم ضخ الهواء عبر مدخل المحرك الذي يدفع الريش مما يخلق الحركة الدورانية للعمود المركزي. يمكن أن تتراوح سرعات الدوران بين 100 و 25000 دورة في الدقيقة اعتمادًا على عدة عوامل تشمل كمية ضغط الهواء عند مدخل المحرك وقطر الغلاف. ^[2]

أحد التطبيقات للمحركات الهوائية ذات الريش هو تشغيل محركات الديزل الصناعية الكبيرة أو محركات الغاز الطبيعي. تدخل الطاقة المخزنة في شكل هواء مضغوط أو نيتروجين أو غاز طبيعي إلى حجرة المحرك المغلقة وتمارس ضغطًا على ريش الدوار. يتسبب هذا في دوران الدوار بسرعة عالية. نظرًا لأن دولاب الموازنة للمحرك يتطلب قدرًا كبيرًا من عزم الدوران لبدء تشغيل المحرك، يتم استخدام تروس التخفيض. تخلق تروس التخفيض مستويات عزم دوران عالية بكميات أقل من مدخلات الطاقة. تسمح تروس التخفيض هذه بتوليد عزم دوران كافٍ بواسطة دولاب الموازنة للمحرك أثناء تشغيله بواسطة ترس الترس للمحرك الهوائي أو مشغل الهواء.

تدور التوربينات الهوائية المثقاب في قطع يدوية عالية السرعة للأسنان ، بسرعات تزيد عن 180000 دورة في الدقيقة، ولكن بعزم دوران محدود . التوربين صغير بما يكفي ليتناسب مع طرف القطعة اليدوية دون إضافة وزن.

إن أحد التطبيقات الواسعة النطاق للمحركات الهوائية هو في الأدوات اليدوية، ومفاتيح الربط، وأدوات النبض، ومفكات البراغي، ومشغلات الصواميل، والمثاقب، والمطاحن، والصنفرة وما إلى ذلك. كما تُستخدم المحركات الهوائية ثابتة في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. وعلى الرغم من أن كفاءة الطاقة الإجمالية للأدوات الهوائية منخفضة وتتطلب الوصول إلى مصدر هواء مضغوط، إلا أن هناك العديد من المزايا مقارنة بالأدوات الكهربائية. فهي توفر كثافة طاقة أكبر (يمكن لمحرك هوائي أصغر حجمًا أن يوفر نفس مقدار الطاقة مثل محرك كهربائي أكبر حجمًا)، ولا تتطلب وحدة تحكم في السرعة المساعدة (مما يزيد من تماسكها)، وتولد حرارة أقل، ويمكن استخدامها في أجواء أكثر تقلبًا لأنها لا تتطلب طاقة كهربائية ^[6] ولا تخلق شرارات. ويمكن تحميلها للتوقف بعزم دوران كامل دون حدوث ضرر. ^[7] تعتمد كفاءة محرك المكبس الدوار بشكل كبير على خسائر الطاقة الميكانيكية. ووفقًا لتقديرات مختلفة، يمكن أن تكون قيمة الخسائر الميكانيكية 20٪ من الطاقة المزودة للمحرك. ^[8] وفي الوقت نفسه، تم إثبات تجريبياً أنه يمكن زيادة كفاءة المحرك عن طريق استخدام إضافات مضادة للاحتكاك في زيت التشحيم. ^[9]

تاريخيًا، حاول العديد من الأفراد تطبيق المحركات الهوائية في صناعة النقل. كان جاي نيجر، الرئيس التنفيذي ومؤسس شركة Zero Pollution Motors، رائدًا في هذا المجال منذ أواخر الثمانينيات. ^[10] مؤخرًا، طورت شركة Engineair أيضًا محركًا دوارًا لاستخدامه في السيارات. تضع Engineair المحرك بجوار عجلة السيارة مباشرةً ولا تستخدم أي أجزاء وسيطة لنقل الحركة مما يعني أن كل طاقة المحرك تقريبًا تُستخدم لتدوير العجلة. ^[11]

تم تطبيق المحرك الهوائي لأول مرة في مجال النقل في منتصف القرن التاسع عشر. على الرغم من قلة المعلومات المتوفرة عن أول مركبة مسجلة تعمل بالهواء المضغوط، إلا أنه يُقال إن الفرنسيين أندراود وتيسي أوف موتاي قادا سيارة تعمل بمحرك هوائي على مسار اختبار في شايو، فرنسا، في 9 يوليو 1840. على الرغم من أن اختبار السيارة كان ناجحًا، إلا أن الزوجين لم يستكشفا المزيد من التوسع في التصميم. ^[12]

كان أول تطبيق ناجح للمحرك الهوائي في النقل هو محرك الهواء بنظام ميكارسكي المستخدم في القاطرات. تغلب محرك ميكارسكي المبتكر على التبريد المصاحب للتمدد الهوائي عن طريق تسخين الهواء في غلاية صغيرة قبل الاستخدام. اشتهرت ترامواي دي نانت ، الواقعة في نانت بفرنسا، بأنها أول من استخدم محركات ميكارسكي لتشغيل أسطولها من القاطرات. بدأ الترام في العمل في 13 ديسمبر 1879، ويستمر في العمل اليوم، على الرغم من استبدال الترام الهوائي في عام 1917 بترام كهربائي أكثر كفاءة وحداثة.

كما حقق الأمريكي تشارلز هودجز نجاحًا باستخدام المحركات الهوائية في صناعة القاطرات. ففي عام 1911، صمم قاطرة هوائية وباع براءة الاختراع لشركة HK Porter في بيتسبرغ لاستخدامها في مناجم الفحم. ^[13] ولأن المحركات الهوائية لا تستخدم الاحتراق، فقد كانت خيارًا أكثر أمانًا في صناعة الفحم. ^[12]

تدعي العديد من الشركات ^{[ من؟ ]} أنها تعمل على تطوير سيارات تعمل بالهواء المضغوط ، ولكن لا تتوفر أي منها للشراء أو حتى الاختبار المستقل.

تستخدم مفاتيح التأثير ، والأدوات النبضية، ومفاتيح عزم الدوران ، والمفكات ، والمثاقب ، والمطاحن ، ومطاحن القوالب ، والصنفرة ، ومثاقب الأسنان ، ومغيرات الإطارات ، والأدوات الهوائية الأخرى مجموعة متنوعة من المحركات الهوائية . وتشمل هذه المحركات ذات الريش، والتوربينات ، ومحركات المكبس.

استخدمت معظم الأشكال المبكرة الناجحة للطوربيدات ذاتية الدفع الهواء المضغوط عالي الضغط ، على الرغم من استبداله بمحركات الاحتراق الداخلي أو الخارجي، أو المحركات البخارية (التي تعمل عن طريق التحلل التحفيزي لبيروكسيد الهيدروجين)، أو المحركات الكهربائية.

استُخدمت محركات الهواء المضغوط في الترام والقطارات المناوبة، وفي النهاية وجدت مكانًا ناجحًا في قاطرات التعدين، على الرغم من استبدالها في النهاية بالقطارات الكهربائية تحت الأرض. ^[14] على مر السنين، زادت التصميمات تعقيدًا، مما أدى إلى ظهور محرك توسع ثلاثي مع سخانات هواء إلى هواء بين كل مرحلة. ^[15] لمزيد من المعلومات، راجع قاطرة بدون نار ونظام ميكارسكي .

• 
  ترام مكارسكي الذي يعمل بالهواء المضغوط، 1875
• 
  قاطرة هوائية مزودة بحاوية ضغط متصلة بها تم استخدامها أثناء بناء نفق سكة حديد جوتهارد في الفترة من 1872 إلى 1880. ^[16]
• 
  قاطرة هواء مضغوطة من إنتاج شركة HK Porter, Inc.، قيد الاستخدام في منجم Homestake ، بولاية ساوث داكوتا، بين عامي 1928 و1961

تستخدم الصواريخ المائية الهواء المضغوط لتشغيل نفثات المياه وتوليد الدفع، ويتم استخدامها كلعب.

تستخدم شركة Air Hogs ، وهي علامة تجارية للألعاب، أيضًا الهواء المضغوط لتشغيل محركات المكبس في الطائرات اللعبة (وبعض المركبات اللعبة الأخرى).

يوجد حاليًا بعض الاهتمام بتطوير السيارات الجوية . وقد تم اقتراح العديد من المحركات لهذه السيارات، على الرغم من عدم إثبات أي منها الأداء والعمر الطويل اللازمين للنقل الشخصي.

كانت شركة Energine Corporation شركة كورية جنوبية ادعت أنها تقدم سيارات مجمعة بالكامل تعمل بمحرك هجين يعمل بالهواء المضغوط والكهرباء. يستخدم محرك الهواء المضغوط لتنشيط المولد ، مما يزيد من قدرة التشغيل المستقلة للسيارة. تم القبض على الرئيس التنفيذي بتهمة الترويج الاحتيالي للمحركات الهوائية بادعاءات كاذبة. ^[17]

تصنع شركة EngineAir الأسترالية محركًا دوارًا يعمل بالهواء المضغوط، ويُسمى محرك Di Pietro . يعتمد مفهوم محرك Di Pietro على مكبس دوار. وعلى عكس المحركات الدوارة الموجودة، يستخدم محرك Di Pietro مكبسًا دوارًا أسطوانيًا بسيطًا (محرك عمود) يتدحرج، مع القليل من الاحتكاك، داخل الجزء الثابت الأسطواني. ^[18]

يمكن استخدامه في القوارب والسيارات وناقلات الأحمال والمركبات الأخرى. لا يلزم سوى 1 رطل لكل بوصة مربعة (≈ 6,8 كيلو باسكال ) من الضغط للتغلب على الاحتكاك. ^{[19] [20]} كما ظهر المحرك أيضًا في برنامج New Inventors التابع لشبكة ABC في أستراليا في 24 مارس 2004. ^[21]

كان من المقرر تسويق مركبات K'Airmobiles تجاريًا من خلال مشروع تم تطويره في فرنسا في الفترة 2006-2007 بواسطة مجموعة صغيرة من الباحثين. ومع ذلك، لم يتمكن المشروع من جمع الأموال اللازمة.

يجب على الناس أن يلاحظوا أنه في الوقت نفسه، أدرك الفريق استحالة استخدام الهواء المضغوط المخزن على متن الطائرة بسبب قدرته الضعيفة على توفير الطاقة والخسائر الحرارية الناتجة عن تمدد الغاز.

في هذه الأيام، باستخدام مولد "K'Air" الحاصل على براءة اختراع، والذي تم تحويله للعمل كمحرك يعمل بالغاز المضغوط، من المقرر إطلاق المشروع في عام 2010، وذلك بفضل مجموعة من المستثمرين من أمريكا الشمالية، ولكن بهدف تطوير نظام طاقة أخضر أولاً. ^[22]

في محرك نيجر الهوائي الأصلي، يضغط مكبس واحد الهواء من الغلاف الجوي ليختلط بالهواء المضغوط المخزن (الذي يبرد بشكل كبير مع تمدده). يدفع هذا الخليط المكبس الثاني، مما يوفر قوة المحرك الفعلية. يعمل محرك MDI بعزم دوران ثابت، والطريقة الوحيدة لتغيير عزم الدوران إلى العجلات هي استخدام ناقل حركة بكرة متغير باستمرار، مما يؤدي إلى فقدان بعض الكفاءة. عند توقف السيارة، يجب أن يكون محرك MDI قيد التشغيل ويعمل، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة. في الفترة من 2001 إلى 2004، تحولت MDI إلى تصميم مماثل لذلك الموصوف في براءات اختراع Regusci (انظر أدناه)، والتي يعود تاريخها إلى عام 1990.

أفادت التقارير في عام 2008 أن شركة تصنيع السيارات الهندية تاتا كانت تتطلع إلى محرك الهواء المضغوط MDI كخيار في سيارات نانو منخفضة السعر. ^[23] أعلنت تاتا في عام 2009 أن تطوير سيارة الهواء المضغوط كان صعبًا بسبب نطاقها المنخفض ومشاكل درجات حرارة المحرك المنخفضة.

المحرك شبه التوربيني الهوائي هو محرك دوار بدون مكبس يعمل بالهواء المضغوط ويستخدم دوارًا على شكل معين تكون جوانبه مفصلية عند الرؤوس.

لقد أثبت محرك Quasiturbine أنه محرك هوائي يستخدم الهواء المضغوط المخزن. ^[24]

ويمكنه أيضًا الاستفادة من تضخيم الطاقة الممكنة من خلال استخدام الحرارة الخارجية المتاحة، مثل الطاقة الشمسية . ^[25]

تدور التوربينات شبه التوربينية من ضغط منخفض يصل إلى 0.1 ضغط جوي (1.47 رطل/بوصة مربعة).

نظرًا لأن محرك Quasiturbine هو محرك توسع نقي، في حين أن محرك Wankel ومعظم المحركات الدوارة الأخرى ليست كذلك، فهو مناسب تمامًا كمحرك سائل مضغوط أو محرك هواء أو محرك هوائي. ^[25]

تقوم نسخة أرماندو ريجوشي من المحرك الهوائي بربط نظام نقل الحركة مباشرة بالعجلة، كما تتميز بعزم دوران متغير من الصفر إلى الحد الأقصى، مما يعزز الكفاءة. يرجع تاريخ براءات اختراع ريجوشي إلى عام 1990. ^[26]

تعمل شركة Psycho-Active على تطوير هيكل هجين متعدد الوقود/الهواء، والذي من المفترض أن يكون بمثابة الأساس لسلسلة من السيارات. يبلغ الأداء المعلن عنه 50 حصانًا/لترًا. يُطلق على محرك الهواء المضغوط الذي يستخدمونه اسم DBRE أو Ducted Blade Rotary Engine. ^{[27] [28]}

في عام 1881، حصل ميلتون م. كونجر على براءة اختراع وبنى محركًا يعمل بالهواء المضغوط أو البخار باستخدام أنبوب مرن يشكل جدارًا أو دعامة على شكل إسفين أو مائل في الجزء الخلفي من المحمل المماس للعجلة، ويدفعها بسرعة أكبر أو أقل وفقًا لضغط الوسيط الدافع. ^[29]

• أنجيلو دي بييترو (مخترع)
• تخزين الطاقة بالهواء المضغوط
• ضاغط
• محرك دورة إريكسون من إنتاج برو ؛ ^[30] وهو أحد أشكال محرك الهواء المضغوط الذي يستخدم الوقود لضغط الهواء الذي يتم حقنه على الفور في المحرك
• شيكاغو الهوائية
• سيمون إنجرسول
• أطلس كوبكو

• الوسائط المتعلقة بمحرك هوائي في ويكيميديا ​​كومنز