جولة عبر العصور في رحلة تطور محرك الاحتراق الداخلي

المربع نت – محرك الاحتراق الداخلي هو أحد الابتكارات التكنولوجية التي غيرت وجه العالم، مع تطبيقاته الواسعة في السيارات والطائرات والقوارب وحتى في بعض التطبيقات الصناعية.

في هذا المقال، سنأخذكم في جولة تاريخية عبر تاريخ محرك الاحتراق الداخلي، ونستعرض أهم الإنجازات التكنولوجية التي ساهمت في تطوره حتى يومنا هذا، بالإضافة إلى أنواع وتصاميم مختلفة لهذا المحرك الذي أصبح جزءاً لا يتجزأ من حياتنا اليومية.

بداية محرك الاحتراق الداخلي

العصر المبكر: القرن الـ18 والـ19

بدأت فكرة محرك الاحتراق الداخلي في الظهور خلال القرن الثامن عشر والتاسع عشر. في عام 1794، حصل المخترع الإنجليزي روبرت ستريت على براءة اختراع لأول محرك يعتمد على مبدأ الاحتراق الداخلي. هذا المحرك البسيط استخدم غاز الفحم كوقود، وكان خطوة أولى نحو تطوير محركات أكثر فعالية.

في منتصف القرن التاسع عشر، طور المهندس الفرنسي إتيان لونوار محركاً يعمل على غاز الفحم، وهو أول محرك احتراق داخلي يمكن اعتباره عملياً. هذا المحرك كان يعمل على مبدأ الاحتراق داخل أسطوانة لتوليد الطاقة الميكانيكية.

المحرك ذو الدورة الرباعية: اختراع نيكولاس أوتو

في عام 1867، أحدث نيكولاس أوتو ثورة في عالم محركات الاحتراق الداخلي من خلال تطوير محرك ذو الدورة الرباعية، المعروف أيضاً بدورة أوتو. هذا المحرك يعتمد على أربعة مراحل أساسية:

1. مرحلة السحب: يتم فيها إدخال خليط الهواء والوقود إلى الأسطوانة.
2. مرحلة الضغط: يتم ضغط الخليط داخل الأسطوانة.
3. مرحلة الاحتراق: يتم إشعال الخليط بواسطة شمعة الإشعال، مما يؤدي إلى احتراقه وتوليد ضغط هائل يدفع المكبس.
4. مرحلة العادم: يتم فيها طرد غازات العادم من الأسطوانة.

محرك الدورة الرباعية قدم كفاءة أكبر بكثير مقارنة بالمحركات السابقة، وأصبح الأساس لتطوير محركات الاحتراق الداخلي الحديثة.

محركات الاحتراق الداخلي في السيارات

كارل بنز وأول سيارة بمحرك احتراق داخلي

في عام 1886، قدم المهندس الألماني كارل بنز أول سيارة تعمل بمحرك الاحتراق الداخلي. هذه السيارة، التي عرفت بـ “بنز باتنت موتورفاغن”، كانت تستخدم محرك احتراق داخلي ذو أسطوانة واحدة يعمل على البنزين. هذا الابتكار لم يكن فقط نقلة نوعية في مجال المحركات، بل أيضاً كان بداية صناعة السيارات كما نعرفها اليوم.

التطورات التكنولوجية في القرن العشرين

محركات الديزل: اختراع رودولف ديزل

في عام 1892، حصل المهندس الألماني رودولف ديزل على براءة اختراع لمحرك ديزل، والذي يستخدم ضغط الهواء لإشعال الوقود بدلاً من شمعة الإشعال.

محرك الديزل يتميز بكفاءة حرارية أعلى من محركات البنزين، مما يجعله أكثر اقتصادية في استهلاك الوقود. تم استخدام محركات الديزل على نطاق واسع في الشاحنات، الحافلات، والسفن بسبب قدرتها على توليد عزم دوران عالي.

الشاحن التوربيني والسوبرتشارجر

في العقود الأولى من القرن العشرين، تم تقديم تقنيات الشاحن التوربيني والسوبرتشارجر لتعزيز أداء محركات الاحتراق الداخلي.

هذه التقنيات تعمل على زيادة كمية الهواء المضغوط الداخل إلى المحرك، مما يزيد من كمية الوقود التي يمكن احتراقها، وبالتالي زيادة الطاقة الناتجة. الشاحن التوربيني يستخدم غازات العادم لتدوير توربينة تضغط الهواء الداخل، بينما السوبرتشارجر يتم تشغيله بواسطة المحرك نفسه.

محركات الاحتراق الداخلي في الطائرات

محركات الطائرات: من المكبس إلى التوربينات

محرك الاحتراق الداخلي لم يقتصر فقط على السيارات، بل لعب دوراً محورياً في تطوير الطائرات. في بدايات الطيران، كانت الطائرات تستخدم محركات مكبسية تعمل على مبدأ الدورة الرباعية.

ومع تطور التكنولوجيا، تم تقديم محركات التوربينات الغازية في منتصف القرن العشرين، والتي تعتمد على احتراق الوقود في غرفة احتراق لتدوير توربينات تولد قوة دفع هائلة. هذه المحركات كانت أكثر فعالية وقوة، مما مكن الطائرات من الوصول إلى سرعات وارتفاعات أعلى بكثير.

أنواع وتصاميم محركات الاحتراق الداخلي

محركات البنزين

محركات البنزين هي الأكثر شيوعاً في السيارات الشخصية. تعتمد على دورة أوتو وتستخدم شرارة لإشعال خليط الوقود والهواء. تتميز بقدرتها على توفير قوة عالية وأداء سلس.

محركات الديزل

تستخدم في الشاحنات والحافلات وبعض السيارات الشخصية. تعتمد على دورة الديزل حيث يتم إشعال الوقود بواسطة ضغط الهواء. تتميز بكفاءة حرارية أعلى وعزم دوران قوي.

المحركات التوربينية

تستخدم بشكل أساسي في الطائرات والمركبات الكبيرة. تعتمد على احتراق الوقود في غرفة احتراق لتدوير توربينات تنتج قوة دفع. تتميز بقدرتها على العمل بكفاءة في الظروف القاسية ولفترات طويلة.

المحركات الدورانية (وانكل)

تم تطويرها بواسطة المهندس الألماني فيليكس وانكل في منتصف القرن العشرين. تختلف عن المحركات التقليدية ذات المكابس حيث تستخدم دواراً ثلاثي الأضلاع يدور داخل حجرة بيضاوية. تتميز بتصميم بسيط وخفيف الوزن، لكن تواجه تحديات في الكفاءة والانبعاثات.

التطورات الحديثة والتحديات

التحسينات في الكفاءة والانبعاثات

مع تطور التكنولوجيا، شهد محرك الاحتراق الداخلي تحسينات كبيرة في الكفاءة وتقليل الانبعاثات الضارة. تقنيات مثل الحقن المباشر، والتحكم الإلكتروني في الصمامات، وأنظمة استعادة الطاقة أصبحت شائعة لتحسين أداء المحركات وتقليل تأثيرها البيئي.

المحركات الهجينة والكهربائية

مع تزايد الاهتمام بالبيئة، بدأت شركات السيارات في تطوير محركات هجينة تجمع بين محرك الاحتراق الداخلي ومحرك كهربائي لتحقيق كفاءة أعلى وتقليل الانبعاثات.

السيارات الكهربائية بالكامل أيضاً بدأت تأخذ حصة أكبر من السوق، لكن محرك الاحتراق الداخلي لا يزال يسيطر على الجزء الأكبر من السوق العالمي بسبب بنيته التحتية الواسعة وتكنولوجيا الوقود المتطورة.

معايير انبعاثات الاتحاد الأوروبي

بداية معايير انبعاثات الاتحاد الأوروبي

في العقود الأخيرة، ازدادت الوعي البيئي والاهتمام بجودة الهواء وصحة الإنسان بشكل كبير. هذا الاهتمام أدى إلى وضع معايير صارمة للانبعاثات الصادرة عن محركات الاحتراق الداخلي.

واحدة من أهم هذه المعايير هي معايير الانبعاثات الأوروبية، والمعروفة باسم معايير “Euro”.

كيف بدأت معايير Euro

معايير Euro تم تقديمها لأول مرة في عام 1992 من قبل الاتحاد الأوروبي كجزء من جهود للحد من الانبعاثات الضارة الناتجة عن السيارات وتحسين جودة الهواء.

تم تصميم هذه المعايير لتحديد الحدود القصوى لانبعاثات الغازات الضارة مثل أكسيد النيتروجين (NOx)، والهيدروكربونات غير المحترقة (HC)، وأول أكسيد الكربون (CO)، والجسيمات الصلبة (PM).

تطور معايير Euro عبر الزمن

منذ تقديمها، تم تحديث معايير Euro الخاصة بـ محرك الاحتراق الداخلي عدة مرات لتصبح أكثر صرامة مع مرور الوقت. دعونا نستعرض بعض المراحل الرئيسية لتطور هذه المعايير:

1. Euro 1 (1992): كانت هذه أول مجموعة من المعايير التي وضعت قيودًا على انبعاثات أكسيد النيتروجين، وأول أكسيد الكربون، والهيدروكربونات. شملت السيارات البنزين والديزل.
2. Euro 2 (1996): شددت هذه المعايير على الانبعاثات بشكل أكبر مقارنة بـ Euro 1، مما أدى إلى تحسين تكنولوجيا الاحتراق ونظم العادم.
3. Euro 3 (2000): قدمت هذه المعايير حدودًا أكثر صرامة لانبعاثات أكسيد النيتروجين والجسيمات الصلبة، بالإضافة إلى إدخال اختبارات انبعاثات في الظروف الواقعية.
4. Euro 4 (2005): شددت القيود على انبعاثات NOx وPM بشكل أكبر، مما أدى إلى تحسينات كبيرة في أنظمة معالجة العادم مثل المحولات الحفازة والفلاتر الجسيمية.
5. Euro 5 (2009): ركزت هذه المعايير على خفض انبعاثات PM بشكل كبير من محركات الديزل، بالإضافة إلى تقليل انبعاثات NOx من كلا النوعين من المحركات.
6. Euro 6 (2014): تعد هذه المجموعة من المعايير الأكثر صرامة حتى الآن، حيث وضعت قيودًا شديدة على انبعاثات NOx وPM من السيارات الديزل والبنزين، وشجعت على استخدام تقنيات متقدمة مثل أنظمة الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) ومرشحات جسيمات البنزين (GPF).

تأثير معايير Euro على تكنولوجيا محركات الاحتراق الداخلي

معايير Euro ساعدت بشكل كبير في دفع الابتكار في تكنولوجيا محرك الاحتراق الداخلي. من خلال فرض قيود صارمة على الانبعاثات، أجبرت الشركات المصنعة على تحسين تصميم المحركات ونظم العادم. بعض التقنيات التي تم تطويرها نتيجة لهذه المعايير تشمل:

• حقن الوقود المباشر: لتحسين كفاءة الاحتراق وتقليل الانبعاثات.
• الشاحن التوربيني: لزيادة كفاءة الطاقة وتقليل الاستهلاك الكلي للوقود.
• نظام إعادة تدوير غاز العادم (EGR): لتقليل انبعاثات NOx.
• المحولات الحفازة: لتحويل الغازات الضارة إلى مواد أقل ضررًا قبل خروجها من العادم.
• مرشحات الجسيمات: لإزالة الجسيمات الصلبة من العادم.

المستقبل ومعايير Euro

من المتوقع أن تستمر معايير Euro في التطور لتصبح أكثر صرامة مع مرور الوقت، مما سيزيد من الضغط على الشركات المصنعة لتطوير محرك الاحتراق الداخلي بشكل أكثر نظافة وكفاءة. المعايير المستقبلية قد تشمل أيضًا مراقبة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) بشكل أكثر دقة، مما يشجع على تبني تكنولوجيا هجينة وكهربائية.

الخاتمة

محرك الاحتراق الداخلي قد قطع شوطاً طويلاً منذ بداياته في القرن الثامن عشر حتى يومنا هذا. التطورات التكنولوجية المستمرة جعلت منه عنصراً أساسياً في حياتنا اليومية، من السيارات إلى الطائرات والشاحنات.

فهم تاريخ هذا المحرك وأنواعه المختلفة يمكننا من تقدير التكنولوجيا المتقدمة التي نستخدمها اليوم والإمكانات المستقبلية التي يحملها. ومع استمرار الابتكارات، يمكننا أن نتوقع رؤية محركات احتراق داخلي أكثر كفاءة وصديقة للبيئة في المستقبل.

المصادر:

• متحف تويوتا
• متحف السيارات البريطاني