السيارة

The Car

1- مقدمة (تعريف السيارة car definition)

2- تاريخ تطور السيارة History of the automobile

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3- المحركات البخارية Steam engines:

تقنية البخار Steam Technology

محرك البخار steam engine هو محرك احتراق خارجي external combustion engine (ECE), (الوقود يحرق خارج المحرك), عكس محرك الاحتراق الداخلي internal combustion engine (ICE), (حيث يحرق الوقود داخل المحرك). على الرغم من أن السيارات التي تدفع بالبنزين لها كفاءة حرارية thermal efficiency تصل إلى 15% إلى 30%, فإن محركات البخار في وقت مبكر كانت قادرة على تحقيق نصف هذه الكفاءة. هناك فائدة كبيرة لمحركات الاحتراق الخارجي وهي أن حرق الوقود يمكن أن يكون له انبعاثات منخفضة لأول أكسيد الكربون Carbon monoxide (CO), وأكسيد النيتروجين نيتروز nitrogen oxides, والكربون الغير محترق بالعادم, وبذلك يقلل من التلوث.

internal-external-combustion-engine.jpg

internal-external-combustion-engine

المحرك البخاري Steam engine:

اجزاء وملحقات محركات البخار Components and accessories of steam engines:

هناك نوعان من المكونات الأساسية للمحطة البخارية: المرجل/ الغلاية boiler أو مولد البخار steam generator, ووحدة الموتور motor unit, والتي يشار إليها بمحرك البخار steam engine. يتواجد المرجل والمحرك بالنسبة لمحركات البخار الثابتة stationary steam engines في الغالب بمباني منفصلة على مسافة بعيدة. ولكن بوسائل النقل الصغيرة, مثل القاطرة البخارية steam locomotive, فإن الأثنين يكونا داخل حيز واحد.  

مصدر للحرارة Heat source:

الحرارة المطلوبة لغلي الماء وامداد البخار يمكن أن يحصل عليها من عدة مصادر, الاكثر شيوعا عن طريق مواد قابلة للاشتعال في مكان مغلق مع توفر الهواء المناسب (يطلق عليهما غرفة الاحتراق combustion chamber, والموقد firebox). في بعض الحالات, يكون مصدر الطاقة هو مفاعل نووي nuclear reactor أو طاقة حرارية من باطن الأرض geothermal.

المراجل/ الغلايات Boilers:

المراجل Boiler (steam generator), هي أوعية الضغط pressure vessels التي تحتوي على الماء المعد للغليان بالإضافة إلى اجزاء وتوصيلات لاستخدام الحرارة لتسخين الماء وغليانه.

الطريقتين الأكثر شيوعا لانتقال الحرارة إلى الماء هي:

1- مرجل ذات انابيب المياه water-tube boiler المياه موجودة أو تمر خلال انبوب أو عدة انابيب محاطة بغازات ساخنة.

2- مراجل ذات انابيب تسخين fire-tube boiler المياه تملء الخزان جزئيا, تحتها أو خلالها يكون هناك غرفة احتراق أو فرن به انابيب تسخين لغلي الماء.

... figure 2 simplified schematic diagram of a fire tube boiler

Figure 1: Water Tube Boiler

http://4.bp.blogspot.com/-tryc8-9DSPs/TyZceUJZ7_I/AAAAAAAAACw/mrOCKE4SgbU/s1600/train.gif

Fire-tube boiler

Water-tube boiler

Boiler

 

المراجل ذات انابيب التسخين كانت هي النوع الرئيسي المستخدم في اوائل القاطرات ذات بخار عالي الضغط, ولكن تم استبداله بالمراجل ذات انابيب المياه الاقتصادية بأواخر القرن التاسع عشر 1800 في السفن والتطبيقات الثابتة. تطور استخدام البخار, إلى العمل على زيادة درجة الحرارة, لتحويل البخار الرطب إلى بخار عالي التسخين superheated_steam. استخدام البخار المسخن يجنب تكثف البخار داخل المحرك, ويسمح بكفاءة أعلى.

المحرك Engine (motor unit):

محركات البخار تحتوي على مكبس أو تربين أو أجهزة مماثلة لأداء الشغل الميكانيكي يدخل إليها بخار عند ضغط ودرجة حرارة عالية ويخرج منها عند ضغط وحرارة منخفضة, ويستخدم أكبر قدر من اختلاف طاقة البخار للقيام بشغل ميكانيكي. هذه الموتورات يطلق عليها محركات البخار steam engine. والتي يمكن أن تعمل كذلك بالهواء المضغوط أو الغازات الأخرى.

تم استخدام طاقة البخار, عن طريق محركات بخارية, تتنوع من ناحية التركيب والنوع.

تركيب المحركات البخارية   Engine configuration:

- محرك بسيط simple engine؛ وهو يتكون من اسطوانة واحدة.

- محرك مركب compound engine؛ وهو يتكون من عدة اسطوانة, يختلف وضعهم بالنسبة لبعضهم حسب التصميم.

- محرك متعدد التمدد Multiple expansion engines؛ وهو محرك مركب من عدة اسطوانات متتالية يزداد قطر الاسطوانات بالتعاقب.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8a/Triple_expansion_engine_animation.gif/220px-Triple_expansion_engine_animation.gif

An animation of a simplified triple-expansion engine.
High-pressure steam (red) enters from the boiler and passes through the engine, exhausting as low-pressure steam (blue), usually to a condenser.

هذا التكوين يدخل في العديد من أنواع المحركات البخارية types of motor units.

أنواع المحركات البخارية Types of steam engine:

- محرك بمكبس ترددي Reciprocating piston:

المحركات الترددية reciprocating engine المستخدمة على نطاق واسع تتألف في العادة من اسطوانة من الحديد الزهر, مكبس, ذراع توصيل وعمود مرفق, وحذافة, وواصلات أخر متنوعة. البخار يدخل ويخرج بالتناوب عن طريق صمامات valves. ويتم التحكم في السرعة أما ذاتيا أو باستخدام نظام تحكم governor أو يدوي manual بواسطة المشغل operator وذك عن طريق صمام تحكم. الاسطوانة بها فتحات ports لدخول وخروج البخار. المحركات المزودة بمكثف condenser هي نوع مستقل عن التي تخرج عادم البخار إلى الجو.

الأجزاء الأخرى تكون في العادة: مضخات pumps (مثل الحاقن injector) لإمداد المرجل بالماء خلال التشغيل, مكثف لتدوير الماء واستعادة الحرارة الكامنة للتبخر, وساخن عالي الحرارة superheater لرفع درجة حرارة البخار فوق نقطة تشبع البخار, وأنظمة مختلفة لزيادة دخول الهواء إلى موقد التسخين. عند استخدام الفحم, تستخدم مدخنة, وكذلك وسيلة لنقل الفحم من القبو إلى غرفة الاحتراق. وكذلك المكثفات condensers, أنظمة المتابعة والتحكم Monitoring and control, ومنظم السرعة Governor, خاصة منظم الطرد المركزي للسرعة centrifugal governor.

المحركات الترددية تصنف في العادة إلى محركات أحادية أو مزدوجة التأثير single or double acting اعتمادا على تأثير الوسيط على المكبس:

- الاسطوانة أحادية التأثير single-acting cylinder للمحركات الترددية هي اسطوانة يؤثر فيها الوسيط الفعال على سطح واحد من المكبس.

- الاسطوانة مزدوجة التأثير double-acting cylinder هي اسطوانة يؤثر الوسيط الفعال على سطحي المكبس. الاسطوانة به فتحة بأحد نهايتها لإمرار عمود لتوصيل الاسطوانة بعمود للمرفق. الاسطوانة مزدوجة التأثير شائعة الاستخدام في محركات البخار, عنها في أي محركات أخرى.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f0/Steam_engine_in_action.gif/300px-Steam_engine_in_action.gif

https://sp.yimg.com/ib/th?id=JN.E398%2fTKk%2bVvxlSerw1YMow&pid=15.1&P=0

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/88/Doppelwirkender_Zylinder_Funktionsprinziep.gif

Double acting stationary engine. This was the common mill engine of the mid 19th century.

Westinghouse single-acting high-speed steam engine

Double-acting hydraulic cylinder

- محرك احادي التدفق Uniflow (or unaflow) engine:

محرك احادي التدفق uniflow engine مصمم لتذليل الصعوبات الناشئة الناجمة من المحرك المعتاد حيث أنه خلال كل شوط, فإن جدران الاسطوانة ستبرد بمرور عادم البخار, مما سيؤدي إلى فقد البخار الداخل إلى جزء من طاقته لاستعادة درجة حرارة التشغيل لجدران الاسطوانة. الهدف من المحرك احادي التدفق هو إصلاح ذلك الخلل وتحسين الكفاءة, عن طريق توفير منفذ إضافي يتم كشفه عن طريق المكبس في نهاية كل شوط بجعل تدفق البخار في اتجاه واحد فقط.

- المحركات التربينة Turbine engines:

التربين Turbine يستخدم من واحد أو اكثر من الأقراص الدوارة  rotors متصل بعمود إدارة, ومركب بالتناوب مع مجموعة من الأقراص الساكنة/ الثابتة stators متصلة بجسم التربين. الأقراص الدوارة بها ريش مراوح بالحرف الخارجي. البخار يؤثر عليها, وينتج حركة دورانية. الأقراص الثابتة لها نفس الشكل ولكنها ثابت, والتي تعمل على إعادة توجيه البخار للمرحلة التالية من الأقراص الدوارة. التربين يكون كفئ في حالة دورانه بسرعة عالية, ولهذا في الغالب يكون متصلين مخفض للسرعة لإدارة عمود إدارة الخرج بسرعة منخفضة. التربينات البخارية توفر حركة وقوة دورانية مباشرة ولا تحتاج إلى وصلات لتحوليها إلى حركة دورانية. وبذلك توفر حركة دورانية سلسلة لعمود الخرج, والتي تساهم كذلك في تقليل الصيانة المطلوبة وتتأكل أقل مقارنة بالمحركات الترددية.  

التربينات البخارية Steam turbines:

الاستخدام الرئيسي للتربينات البخارية steam turbines معظمه يكون في توليد الكهرباء (في التسعينيات حوالي 90% من الكهرباء بالعالم مولدة عن طريق استخدام تربينات بخارية), ولكن مع الانتشار على نطاق واسع في الآونة الاخيرة لتربينات الغاز gas turbine ادى إلى انخفاض استخدام التربينات البخارية. تقريبا جميع المحطات النووية nuclear power plants لتوليد الكهرباء تعمل على تسخين المياه لتوفير البخار, الذي يدير مولد تربيني turbo generator الذي يتصل بموتور كهربائي. تم تصنيع عدد محدود من تربينات البخار لدفع قاطرات السكك الحديدية railroad locomotives. وقد وجد أن التربينات البخارية غير مناسبة بشكل مثالي لتطبيقات السكك الحديدية, وفشلت في إزاحة المحركات الترددية البخارية من الطريق, الدور الذي قامت به محركات الديزل الحديثة والكهربائية في توفير الدفع للقطارات.

- المحركات البخارية ذات الاسطوانة المتأرجحة Oscillating cylinder steam engines:

المحرك البخاري ذو الاسطوانة المتأرجحة Oscillating cylinder steam engine هو شكل من محرك التمدد البخاري البسيط الذي لا يتطلب صمامات لتوجيه البخار داخل وخارج الاسطوانة. بدلا من الصمامات, فإن الاسطوانة بالكامل تتذبذب أو تتأرجح, بحيث واحد أو أكثر من الفتحات بالأسطوانة تتطابق مع الفتحات موجودة في مجمع دخول وخروج البخار. هذا المحرك يستخدم في الالعاب والنماذج, لسهولتها, كما استخدمت أيضا في محركات بالحجم الطبيعي, بشكل رئيسي في السفن.     

- المحرك البخاري الدوار Rotary steam engine:

من الممكن استخدام الآلية التي تستند إلى المحرك الدوار بدون مكبس pistonless rotary engine مثل محرك فانكل Wankel engine بدلا من الاسطوانات التي لها تركيبة صمامات للمحركات الترددية البخارية التقليدية. العديد من تلك المحركات تم تصميمها, منذ وقت جيمس وات James Watt إلى يومنا هذا, ولكن عدد قليل نسبيا تم بنائها والأقل تم انتاجه تجاريا. المشكلة هي حبك الجزء الدوار بحيث لا يحدث تهريب نتيجة للتأكل والتمدد, والتي تجعل الكفاءة متدنية للغاية, واثبتت إنها غير عملية مقارنة مع التصميمات الأخرى.

- المحرك الصاروخي Steam rocket:

في الوقت الحديث, هناك استخدام محدود جدا لاستخدام البخار للدفع الصاروخي.  وخاصة للسيارات الصاروخية rocket car. الصاروخ البخاري يعمل عن طريق ملئ غرفة ضغط بمياه ساخنة مع ضغط عالي, وصمام مؤدي إلى فوهة مناسبة. الانخفاض في الضغط يؤدي لحظيا إلى غليان بعض الماء ويخرج البخار عبر الفوهة, خالقا القوة الدفعة.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Uniflow_steam_engine.gif

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d7/Dampfturbine_Laeufer01.jpg/220px-Dampfturbine_Laeufer01.jpg

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9f/Oscillating_cylinder.svg/220px-Oscillating_cylinder.svg.png

maxresdefault.jpg

Schematic animation of a uniflow steam engine.
The poppet valves are controlled by the rotating camshaft at the top. High-pressure steam enters, red, and exhausts, yellow.

A rotor of a modern steam turbine, used in a power plant

Operation of a simple oscillating cylinder steam engine

Bloodhound rocket car

https://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine

 http://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/steam1.htm

 

4- السيارة البخارية "تطور المركبة البخارية": (المقالة القادمة)