محركات الاحتراق الداخلي

Internal Combustion (IC) Engines

المحرك هو وحدة أو مصدر القدرة بالسيارة, ومنه تستمد الحركة والعزم لجميع الأجزاء المتحركة للسيارة. ويتصل المحرك بالعجلات عن طريق المحور وصندوق التروس والقابض- ويتصل المحرك بالأجزاء الدوارة (شاحن الكهرباء, مضخة المياه, ضاغط مضخة التوجيه .... عن طريق سيور وبكرات). ويكون المحرك مصدر التخلخل لأنظمة كثيرة (مؤازر التخلخل, التحكم في الأبواب والكراسي وعمل بعض أنظمة فرامل التثبيت،.....). كما أن عادم المحرك يستخدم في تربينة لتشحين المحرك.

مصادر الطاقة بالسيارة

ويستخدم بالسيارات مصادر قدرة مختلفة, وتكون في الغالب:

- محرك احتراق داخلي internal combustion engines IC

- محرك كهربائي Electric

- مصدرين للطاقة ( محرك احتراق داخلي/ كهرباء- سيارة مهجنة) hybrid

تصنيف المحرك

ويمكن تقسيم محركات الاحتراق الداخلي إلى أنواع حسب:
أ- تصميم المحرك:

طريقة الحركة:

                   - محرك ترددي reciprocating

                   - محرك دوار (فانكل) rotary

* ويمكن تقسيم المحرك الترددي إلى أنواع حسب:

عدد الأشواط:

                   - رباعي الأشواط four-stroke

                   - ثنائي الأشواط two- stroke

عدد الاسطوانات:

                   - الشائع: 4, 6, 8

- الغير شائع: 2, 3, 5, 12, 16

سعة المحرك:

- محرك ذو سعة ثابتة (لتر, سي سي)

- محرك متغير السعة variable displacement POD

ترتيب الاسطوانات:

                             - خط مستقيم in-line

                             - على شكل حرف "في V"

                             - محرك مائل slant

                             - على شكل حرف "دابليو W"

                             - مسطح opposed

تصنيف عمود المرفق:

                             - عمود مرفق محرك خط مستقيم, ذراع توصيل لكل كرسي تحميل

                             - عمود مرفق محرك حرف "V" ذراعين توصيل لكل كرسي تحميل
                   أو

                             - اتزان داخلي (الأوزان المقابلة)

                             - اتزان خارجي (الأوزان المقابلة, أوزان بالحذافة, وأعمدة اتزان)

وضع الصمامات:
                             - جانبية in the block (flat head- L-head)

                             - علوية overhead valve

عدد الصمامات:

                   - 2 صمام
                             - 4 صمام

التحكم في الصمامات:

- التحكم في توقيت صمامات السحب إليكترونياVariable Valve Timing with Intelligent (VVT-i)
    - التحكم في توقيت ومسافة فتح الصمامات إليكترونياVariable Valve Timing & Lift with Intelligent (VVTL-i)

أنواع الصمامات:

                             - صمام تقليدي

                             - صمام جلبة (حلقي) Sleeve valve

طريقة التحكم في الصمامات:

                   - التحكم في توقيت صمامات السحب إليكترونيا (VVT-i)

                   - التحكم في توقيت صمامات السحب والعادم إليكترونيا (DVVT-i)

                   - لتحكم في توقيت ومسافة فتح الصمامات إليكترونيا (VVTL-i)

وضع عمود الكامة:

                             - في كتلة الاسطوانات cam-in-block

                   - في رأس الاسطوانات overhead cam (مباشر أوعند طريق روافع), عدد 1 (SOHC) single , عدد 2 (DOHC) dual

طرق إدارة عمود الكامة:

                   - سير مسنن Cogged rubber belt

                   - جنزيرChain

                   - ترس Gear

شكل غرفة الاحتراقCombustion chamber shapes :

                             - عدلة (مسطحة) Pancake

                             - شكل خابور Wedge

                   - نصف كروية Hemispherical (hemi)

- شبه نصف كروية Semi-hemi

- دوامية Swirl

- ذات انسياب متقابل Crossflow

- ذو غرفة تحضير الإشعال precombustion

 ب- أنظمة تشغيل المحرك:

نوع الوقودFuel types :

                             - بنزين Gasoline

                             - ديزل Diesel

                             - وقود بديل (ميثانول- إيثانول- بيوديزل) M85, E85, B20

                             - متعدد الوقود Multi-fuel (flex-fuel engines) 

                             - غاز CNG, LNG,  LPG
- هيدروجين Hydrogen

طريقة إدخال الوقود:

                             - مغذي carburetor

                             - حقن الوقود (حقن مركزي, حقن متعدد) injection

طريقة إدخال الهواء:

                             - سحب normal aspiration

                             - جبري/ مشحن (تربو, سوبر)  turbocharged and supercharged engines

طريقة الإشعال:

                             - الشرارة (تقليدي, إليكتروني) Spark ignition SI 
                             - الضغط compression ignition CI

طريقة التبريد:

- تبريد سائل (مياه) liquid-cooled

- تبريد هواء air- cooled

وضعية المحرك بالسيارة

· محرك أمامي/ جر أمامي FWD

· محرك أمامي/ جر خلفي RWD

· محرك وسط/ جر خلفي

· محرك خلفي/ جر خلفي

· محرك من المحركات السابقة/ جر رباعي AWD أو 4×4

وضع المحرك بالنسبة لاتجاه محور السيارة

· محرك طولي longitudinal

· عرض    transverse

متطلبات الاحتراق

يجب أن يتوفر التالي لكي يكون هناك احتراق:

- مادة قابلة للاشتعال

- أكسجين

- مصدر لهب

الوقود:

المادة القابلة للاحتراق المستخدمة في محركات الاحتراق الداخلي: بنزين, ديزل, وقود حيوي, غاز.

ويجب توفر أن تكون المادة المستخدمة في الاحتراق ذات سعة حرارية كبيرة:

السعة الحرارية للوقود:

حالة الوقود	نوع الوقود	السعة الحرارية (كيلوجول/ جم)
صلب	فحم حجري	33
	فحم نباتي	25.33
	خشب	17
سائل	كيروسين	48
	بنزين	50
	ديزل	45
	ايثانول	30
غاز	غاز بوتان (LPG)	50
	ميثان	55
	هيدروجين	150

الأكسجين:
يوجد الأكسجين في الهواء بنسبة 20.95%  بالحجم و 23.20% بالوزن في الهواء, ويتكون باقي الهواء من غازات لا تشارك في الاشتعال (نيتروجين, وثاني أكسيد الكربون).

مصدر الحرارة:
محركات الإشعال بالشرارة, يكون مصدر اللهب هو الشرارة الناتجة من شمعة الإشعال.

محركات الإشعال بالضغط, تكون الحرارة المتكونة في نهاية شوط الضغط كافية للإشعال الذاتي للوقود عند حقنة داخل الغرفة.

متطلبات التشغيل بالمحرك

نسبة الهواء للوقود:
محركات البنزين: النسبة الصحيحة للهواء للوقود هي 14.7 :1 هواء : وقود بالوزن. ويعمل المحرك خلال نسبة هواء/وقود ما بين 7 و 20 نسبة 7: 1 هي لخليط غني , نسبة 20: 1هي لخليط فقير.
محركات الديزل: تكون النسبة بين 100: 1 عند الحمل الخالي, 20: 1عند أقصى حمل.

دخول الشحنة:
كلما ذات كمية الهواء داخل المحرك كلما زادت قدرة المحرك. وتعتمد كمية الهواء داخل المحرك على سعة المحرك (تعتمد على أبعاد وعدد الاسطوانات), وكفاءة الامتلاء (تعتمد على طريقة دخول الهواء, عدد وتوقيت الصمامات, خلوص الصمامات).

ضغط الشحنة/ الهواء:

شوط الضغط يعمل على ضغط الشحنة, مقدار ضغط الشحنة يعتمد على نسبة الإنضغاط للمحرك, (حجم الهواء قبل الضغط/ حجم الهواء بعد الضغط). يعمل شوط الضغط على تقارب جزيئات الشحنة, ويرفع من درجة حرارتها.

توقيت الإشعال:

بالإضافة إلى قوة وفترة الشرارة يكون توقيت الشرارة من العوامل الهامة للتحكم في كفاءة الحريق.

التوقيت الصحيح للإشعال يسمح بحدوث الشرارة واشتعال الشحنة ووصول جبهة اللهب إلى سطح المكبس عندما يكون عمود المرفق بعد النقطة الميتة العليا بعشرة درجات. ولذلك تحدث الشرارة قبل النقطة الميتة العليا بعدة درجات, ويعتمد توقيت الشرارة (عدد الدرجات قبل النقطة الميتة العليا)على (قوة الخليط, سرعة المحرك, ...). تقديم الشرارة بدون حصول مشاكل الاحتراق (الصفع) يؤدي إلى زيادة قدرة المحرك. تأخير الشرارة يؤدي إلى فقد في الطاقة حيث أن الاحتراق سوف يستمر لفترة أطول مما سيسمح للطاقة الحرارية بالتسرب إلى جسم المحرك ومنه للمياه التبريد وخروج الشحنة. تأخير الشرارة يؤدي إلى سخونة المحرك, ومشاكل في الاحتراق.

مشاكل الاحتراق

- عدم حدوث شرارةmisfire :

تحدث بسبب عدم قدرة الشرارة من الحدوث بين قطبي الشمعة, وتسبب في فقد في القدرة وزيادة معدل استهلاك البنزين.

تتسبب عدة عوامل في عدم حدوث الشرارة:
ضعف ملف الإشعال, نسبة انضغاط عالية مع زيادة خلوص قطبي الشمعة, وجود رواسب كربونية أو زيوت على قطبي الشمعة.
عدم حدوث احتراق:
عدم حدوث شرارة, خليط غني, خليط فقير, تقديم زائد للشرارة, تأخير زائد للشرارة.

- سبق إشعال pre-ignition:

يحدث بسبب وجود نقطة ساخنة بالمحرك, نتيجة وجود نقطة ساخنة داخل غرفة الاحتراق تعمل على إشعال الحريق قبل حدوث الشرارة. وتحدث نتيجة:
1- وجود أجزاء كربونية متوهجة داخل الاسطوانة
2- سخونة عالية للمحرك (وجود مشاكل بنظام التبريد)

3- وقود فقير

4- شمعة إشعال ذات مدى حراري مرتفع

5- سخونة صمام العادم (ضعف النابض, خلوص قليل للصمامات, الصمام غير محبك القفل)

- حدوث صفع detonation:

يحدث في نهاية الاحتراق العادي, يحدث إشعال ذاتي لنهاية الشحنة (انفجار). الضغط العالي للصفع قد يؤدي إلى تلف المكبس, وتلف عمود التوصيل, والسبائك,........ ويتسبب في حدوث الصفع التالي:

- احتراق بطئ

- وقود ذو درجة أوكتان منخفضة

- زيادة نسبة الانضغاط نتيجة وجود رواسب كربونية داخل غرفة الاحتراق, استعدال سطح رأس الاسطوانات

- حرارة مرتفعة للمحرك

- تلف الشنابر أو حابك الصمامات ودخول زيت واشتعاله داخل الغرفة.

- زيادة ضغط الشحنة (شاحن جبري)

- تقديم توقيت الإشعال (اصطدام ضغط الاحتراق بسطح المكبس أثناء صعود المكبس)

أبعاد ومواصفات المحرك

- النقطة الميتة العليا: أعلى نقطة يصل إليها المكبس داخل الأسطوانة

- النقطة الميتة السفلى: أسفل نقطة يصل إليها المكبس داخل الاسطوانة

- طول الشوط: المسافة التي يقطعها المكبس خلال الشوط (المسافة بين النقطة الميتة السفلى والنقطة الميتة العليا, وتساوي 2 طول مرفق لعمود المرفق)

- سعة المحرك: تساوي حجم الاسطوانة × عدد الاسطوانات (حجم الاسطوانة = مساحة المكبس × طول الشوط)

- نسبة الانضغاط: تساوي حجم الهواء قبل الانضغاط مقسوم على حجم الهواء بعد الانضغاط (حجم الاسطوانة + حجم غرفة الاحتراق) / حجم غرفة الاحتراق

- كفاءة الامتلاء: (حجم الهواء الداخل للاسطوانة / حجم الاسطوانة)

- عزم المحرك: (مقدار قوة الدوران عند خرج عمود المرفق)

-    قدرة المحرك: قياس مقدرة المحرك على أداء الشغل