محركات المكابس المشتعلة.. معجزة الميكانيكا التي تصنع عالمنا المعاصر

ثمّة صنفان من الناس؛ البشر الطبيعيون، وأولئك المولعون بعالم السيارات، فلو كنت من الصنف الثاني فلا شك أنك على دراية جيدة بمحرك سيارتك، أو -على أقل تقدير- لديك اطلاع كاف بما يتعلق بالمحركات التي تعد الجزء الأساسي ليس في السيارات فحسب، بل في الطائرات والقطارات والسفن وآلات كثيرة أخرى تشكل حضارتنا اليوم وترسم معالمها، فالمحرّك هو ما يبعث الروح في الآلة لكي تستجيب للعالم الخارجي، فيدفعها للحركة، وبتوقف المحرّك عن العمل، فإنّ الآلة ستتوقف كذلك تبعا.

فالمحركات أنواع وأنماط، فمنها محركات الطائرات النفاثة، وهناك محركات الصواريخ، والمحركات الهوائية، والكهربائية، والهيدروليكية، والبخارية، ثم محركات المكابس (Piston Engines) التي ما زالت تسيطر على جزء كبير من السوق العالمي لتعدد استخداماتها وكفاءتها العالية مقارنة بغيرها، وكذلك لسهولة تنصيبها في الآلات والمركبات بفضل أحجامها وأوزانها مقارنة بقدرتها على إنتاج طاقة عالية، وهو ما يعرف بمصطلح “نسبة القوة إلى الوزن” أو “القوة النوعية”.

تندرج محركات المكابس تحت عائلة أكبر من المحركات تُعرف بمحركات الاحتراق الداخلي (Internal Combustion Engines)، وهي عائلة واسعة من المحركات تعتمد على مبدأ حرق الوقود داخل حجرة الاحتراق في المحرك، بدلا من حرق الوقود خارجيا كما هو الحال في المحركات البخارية القديمة. وتعد المحركات النفّاثة وأغلب محركات الصواريخ ضمن هذه العائلة؛ إذ تعتمد على مبادئ قريبة في تحويل الطاقة الحرارية إلى شغل مع فارق آلية عمل كلٍ منها.

محركات البخار.. آلية معجزة عصر الثورة الصناعية

من الألفاظ المقرونة بمحركات المكابس “المحركات الترددية” (Reciprocating Engines)، فهما يعنيان ذات الأمر، فمحركات المكابس تعتمد على حركة ترددية خطية، بفضل آلية معينة تتحول إلى حركة دورانية ينتج عنها شغل ذو فائدة، هذا بغض النظر عن مصدر الطاقة المتسببة في حدوث هذه الحركة الترددية.

تعد المحركات البخارية التي انتشرت في القرن التاسع عشر على نطاق واسع أشهر الأمثلة على محركات المكابس، أو ما يعرف بالمحركات الترددية (لأنها تتردد في حركتها جيئة وذهابا). ولكي تتحرك بشكلها الصحيح فإنها بحاجة إلى أربعة عناصر أساسية؛ الكرنك وهو القرص الدوّار، والمكبس، وذراع توصيل يربط بين الكرنك والمكبس، وأخيرا أسطوانة ينزلق بداخلها المكبس.

ففي القطارات البخارية القديمة تلعب عجلات القطار دور الكرنك، إذ تنشأ الحركة الترددية للأسطوانات بفعل الطاقة المكتسبة من تمدد البخار الناتج عن حرق بعض المواد القابلة للاحتراق، مثل الفحم والحطب والنفط، ولهذا السبب نسمي هذا النمط من المحركات بالمحركات البخارية.

ابن الجزري.. محرك بدائي يربط ضواحي دمشق

لقد كان العالم المسلم أبو العز إسماعيل بن الجزري أوّل من وضع آلية هذه الحركة الترددية، عندما ابتكر نظاما ميكانيكيا يتألف من العمود المرفقي؛ “عمود الكرنك” الذي يحول الحركة الخطية الترددية لحركة دورانية، وكان ذلك قبل ثمانية قرون. وقد ساهم هذا الابتكار في رفع المياه وإيصالها إلى مستويات أبعد بكثير مما كان متاحا، وعلى هذا النحو أصبح هناك نظام ري وسقاية يربط دمشق بضواحيها.

وقد ذكره بالتفصيل في كتابه “الجامع بين العلم والعمل النافع في صناعة الحيل”، إذ يستشهد الجزري ببعض الرسومات والإيضاحات المتقنة التي كانت سابقة لعصره وزمانه.

ولكي تعمل هذه المحركات وتبدأ في عجلة الدوران والحركة، فإن ذلك يلزم وجود مصدر للطاقة، وقد اعتمد الجزري على مصادر حركية بدائية في تحريك التروس، مثل حركة المواشي أو حركة جريان المياه، وكان ذلك كافيا لتنفيذ الأغراض المطلوبة في ذلك الحين.

وباستخدام ذات المفاهيم، يمكن استبدال هذه الطاقة الحركية بمصادر أخرى للطاقة، ولتكن الطاقة الكيميائية التي تنتج عنها طاقة حرارية ناتجة عن احتراق أو انفجار المواد، وهذا النمط من الطاقة قد فتح لنا أبوابا لا حصر لها.

الديناميكا الحرارية.. تحويل الحرارة إلى شغل ميكانيكي

إنّ إدراكنا لآلية عمل المحركات على المستوى الميكانيكي لا ينبغي أن يكون سوى الشق الأول من المعادلة، ولو أردنا الحصول على فهم شامل ومختصر، فينبغي علينا المرور على الشق الآخر الذي يتعلق بفهم طبيعة العلاقة بين الحرارة والشغل في نظام ما، وهنا يبرز علم الديناميكا الحرارية.

ويُعد الفيزيائي الفرنسي “نيكولا ليونار سعدي كارنو” الأب المؤسس لهذا العلم، ففي عام 1824 كان أوّل من وضع إطارا نظريا فعّالا للمحركات التي تعمل باستخدام الطاقة الحرارية، أو بصيغة أخرى، فإنه أوّل من فسّر انتقال الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية في دورة متكاملة ضمن نظام مغلق، وأطلق عليها “دورة كارنو”. وفي حقيقة الأمر، ما يقوم به هنا علماء الديناميكا الحرارية هو تجريد النظام إلى أبسط صورة حقيقية لتفسير انتقال الحرارة وتحوّلها إلى شغل، آخذين بعين الاعتبار عوامل الضغط ودرجة الحرارة والحجم والإنتروبيا.

ويمكن النظر إلى علاقة الحرارة بالشغل من منظورين هنا؛ فثمة أنظمة تتطلب شغلا لنقل حرارة من محيط بارد إلى محيط حار، وهو الحال بالنسبة للمكيّفات أو الثلاجات التي تنقل الحرارة من داخلها إلى المحيط الخارجي في المطبخ باستخدام الشغل. وأما المنظور الآخر، فهو النظام الذي يتطلّب حرارة لإنتاج شغل ميكانيكي ما، وهو ما يحدث بالضبط في محركات الاحتراق الداخلي.

ظلّت النماذج الرياضية في الديناميكا الحرارية تتطور باستمرار خلال العقود التالية، وكان من المحطات الفارقة ما توصّل إليه المهندس الفرنسي “ألفونس بو دي روشاس” الذي صاغ آلية عمل “محرك رباعي الأشواط” في عام 1862 وحصل على براءة اختراع، لكنّه توقف عند هذا الحد ولم يسجّل أي مساهمة جديدة في تحويل ابتكاره الرياضي لشيء عملي على أرض الواقع.

رباعية الأشواط.. بداية عصر الثورة الصناعية الثانية

إن ما نعنيه بالشوط هنا هو أن يقطع المكبس المسافة الكاملة داخل الأسطوانة في أيّ من الجهتين، فلو تحرك المكبس من نهاية إلى أخرى فإنه يقطع شوطا واحدا كاملا (one stroke)، وعليه فإن المحرك رباعي الأشواط يقطع في المكبس 4 أشواط لكي يتم دورة كاملة مكررة، وفي كلّ شوط ثمة عملية مميزة تحدث، ابتداء بشوط السحب، ثم شوط الانضغاط أو الضغط، ثم شوط الاشتعال أو الاحتراق، وآخرها شوط العادم.

ففي شوط السحب يتحرّك المكبس من أعلى نقطة بالنسبة لعمود الكرنك، العمود المسؤول عن تحويل الحركة الخطية الترددية إلى حركة دورانية، ويُطلق على هذه النقطة كذلك “النقطة الميتة العليا”، ويتجّه المكبس إلى أقصى الأسفل، حيث يكون عند أقرب نقطة من عمود الكرنك، ويُطلق عليها “النقطة الميتة السفلى”. وفي هذا الشوط يتدفق هواء فقط أو خليط من الهواء والوقود عبر “صمامات السحب”، ثم تغلق استعدادا للمرحلة الثانية، وهي شوط الانضغاط.

في هذا الشوط يرتد المكبس مرة أخرى إلى الأعلى ضاغطا على المائع الموجود إلى أقصى نقطة ممكنة، وبعدها تحلّ المرحلة الثالثة، وهي شوط الاشتعال، إذ يتولّى جهازٌ صغير داخل حجرة الاحتراق ابتداءَ عملية الاشتعال، وهذا الجهاز إما أن يكون شمعة احتراق (Spark Plug) أو حاقنا (Injector)، وهذا يعتمد على نوع المحرك سواء كان محرك بنزين أو محرك ديزل، وسيأتي تفصيل ذلك لاحقا.

وأخيرا نصل إلى الشوط الرابع شوط العادم، عندها سيكون المكبس قد وصل إلى أقصى الأسفل بسبب فعل الاحتراق أو الانفجار، فيندفع مرّة أخرى إلى الأعلى ليطرد كافة الشحنة المحترقة والبقايا من صمام العادم إلى منفذ العادم، ثم إلى الهواء الطلق. وعلى هذا النحو تكون الدورة ذات الأشواط الأربعة قد اكتملت.

إنّ تطبيق ذلك على أرض الواقع جاء عن طريق المهندس الألماني “نيكولاس أوتو” في عام 1876 حين صنع أول محرّك بنزين ذي احتراق داخلي رباعي الأشواط، رفقة المهندس الألماني “كارل يوجين لانجين”، لينطلق بذلك بداية عصر جديد على البشرية، إذ بدأت المصانع تعتمد على هذه المحركات في عملية التصنيع، وهو ما ساهم في تطور الثورة الصناعية الثانية.

لقد كان محرك “أوتو” ثابتا لا يمكن تحريكه بسهولة بسبب طبيعة حجمه ووزنه الثقيل، لذا كانت استخداماته محدودة على مستوى الصناعة والتصنيع، ولم يكن هناك اهتمام حقيقي من طرفه في النظر إلى إمكانية تطوير المحرك وجعله أسهل في المحرك، بدلا من أن يكون ثابتا.1

“كارل بنز”.. أول عربة في التاريخ ذات محرك احتراق داخلي

ساهم ظهور القاطرات والقطارات البخارية في تعزيز أهمية البحث عن وسائل للتنقل ذات كفاءة أعلى من تلك العربات التي تجرّها الأحصنة والخيول، بل عربات قادرة على قطع المسافات دون تعب أو كلل، وربما حتى دون توقف لساعات طويلة، وقد كان هذا يتشكل في أذهان كثيرين لتسخير شيء ما قادر على نقل البشر وإيصالهم من نقطة إلى أخرى، فمتى وكيف كان الأمر؟

في عام 1885 استطاع المهندس والمخترع الألماني “كارل بنز” كتابة اسمه بماء الذهب بعد أن قدّم أعجوبته المبتكرة للعالم؛ أول عربة في التاريخ ذات محرك احتراق داخلي متنقّل، ليفتح للبشرية بابا واسعا لعالم السيارات التي باتت تملأ كوكب الأرض اليوم بمختلف أنماطها وأشكالها ومزاياها.

أطلق “بنز” على سيارته اسم “بنز باتينت موتورفاغن”، وكانت ذات مقعدين ومحرّك أحادي الأسطوانة مدمج أفقيا في الخلف، ولها ثلاث عجلات ذات إطارات فولاذية، ومحرك تصل قوته إلى ثلاثة أرباع قوة الحصان (0.75)، مع مولّد شرارة يمكنه تحويل 12 فولتا إلى آلاف الفولتات اللازمة لخلق شرارة كهربائية تشعل الوقود داخل حجرة الاحتراق.2

وبفضل براعة اختراعه على المستوى الميكانيكي والكهربائي، وقدرته على توظيف الطاقة الحركية الناتجة على نحو يخدم آلته المتحركة، فقد حصل “بنز” على 25 براءة اختراع بين عامي 1886-1893. ويحتفظ المتحف الألماني في ميونخ بالنسخة الأصلية الأولى للسيارة.3

“بيرتا بنز”.. تسويق مبهر ينقذ السيارة الأولى من الكساد

على الرغم من إنجازه الهندسي الفذ، لم يستطع “بنز” إقناع الناس بمنتجه بسبب بعض مخاوفهم، ولغرابة فكرة التنقل بمركبة آلية في وسط المدينة باعتماد شخصي بحت، إضافة إلى غلاء المنتج الذي كان يصل إلى 27 ألف دولار وفقا لأسعار اليوم. لكن زوجته “بيرتا بنز” التي كانت تمتلك حصة من شركة زوجها، صممت على حملة تسويقية غير تقليدية للمركبة.

ففي صباح أحد أيام أغسطس/آب من 1888، أيقظت “بيرثا” ابنيها المراهقين، وانطلقوا جميعا في المركبة من منزلهم في مانهايم إلى منزل والدتها في بفورتسهايم، وتفصل بينهما مسافة تفوق 100 كم، وهي مسافة أطول بكثير من المسافة المعتادة للسيارة. وحدثت هذه الخطوة الجريئة دون علم زوجها ودون تخويل للقيادة من السلطات، واكتفت بأن تركت له رسالة موجزة تشرح له رغبتها في تحقيق هذا الأمر، ولضمان بقاء زوجها نائما، دفعت السيارة بمساعدة ولديها إلى مكان قريب قبل أن تشغل المحرّك، ثم انطلقوا في رحلة استغرقت يوما كاملا.

ربّما كان الغرض الظاهري وراء رحلة “بيرثا” هو زيارة والدتها، لكن في حقيقة الأمر فإنّ الأبعاد التي تركتها الرحلة أعظم بكثير، ولا يمكن حصرها، فعند وصولها إلى المدينة الأخرى، تواصلت مع زوجها وأعلمته بنجاح رحلتها عن طريق التلغراف، وهو الخبر الذي ترك أصداء كبيرة في عموم ألمانيا عن قدرة هذه المركبة في التنقل وقطع المسافات الطويلة والقصيرة على حد سواء، لقد كانت إحدى أعظم قصص التسويق والدعاية في التاريخ.

وبعد عدة أيام عادت “بيرثا” إلى زوجها، وكان من مخرجات الرحلة نقاط هندسية مهمة للغاية، أطلعت عليها زوجها، منها ما يتعلق بإضافة ترس إضافي لصعود المرتفعات والتلال، وأيضا ضرورة إضافة بطانات الفرامل عند العجلات.4

محركات الديزل.. حاقن وقود إلكتروني يفتح عصرا جديدا

بعد ظهور محركات البنزين بسنوات قليلة، أراد المهندس الألماني “رودلف ديزل” تطوير محرك بكفاءة أعلى، مستندا على مفاهيم دورة “أوتو” نفسها، إذ لاحظ بأنّه من الممكن رفع كفاءة المحرك عن طريق ضغط الوقود في المحرك لمستويات أعلى، وهذا فقط يحدث مع وقود أثقل بكثير من البنزين.

لذا ارتكزت فكرة “ديزل” على ضغط الهواء وحده في حجرة الاحتراق إلى مستويات عالية، فترتفع درجة حرارته -بطبيعة الحال- متجاوزة 500 درجة مئوية، وهي نقطة يشتعل فيها الوقود تلقائيا دون الحاجة إلى شمعة احتراق، كما هو الحال في محركات البنزين، وإنما بدلا منها يُستبدل بحاقن وقود إلكتروني، يضخ الوقود بمعيار دقيق عند الوقت المناسب في حجرة الاحتراق.

ومن هنا ندرك الاختلاف الأول بين نوعي المحركات، فالوقود في محركات البنزين يندمج بالهواء قبل الدخول إلى حجرة الاحتراق، أما في محركات الديزل، فالهواء وحده ينضغط ثم يُضاف إليه الوقود.

هذا بالإضافة إلى أهم خاصية فيما يتعلق بالقوة الحصانية وعزم الدوران، فمحركات البنزين تنتج قوة حصانية وعزم دوران أعلى عند سرعة دوران “دورة في الدقيقة” (RPM) أعلى بالنسبة لذراع الكرنك، وعلى النقيض، فإنّ محركات الديزل تنتج قوة حصانية وعزم دوران أعلى عند سرعة دوران أقل بالنسبة لذراع الكرنك.

بمعنى آخر، إنّ هذه الخاصية تمنح أفضلية لمحركات الديزل على صعيد الآلات والعربات الثقيلة كالشاحنات، والسفن، وأيضا الدبابات وغيره من العربات التي تحتاج إلى زخم عالٍ لتحريك الكتل الثقيلة. ويمكن النظر إلى القوة الحصانية بأنها تمثّل السرعة بالنسبة للسيارة، وأما عزم الدوران فهو التسارع إن صح التعبير.

وعلى مستوى الانبعاثات الضارة فإنّ محركات البنزين تنتج عنها مستويات أعلى من أول أكسيد الكربون، ونسبة سخام ومركبات نيتروجينية أقل، وهو عكس ما هو عليه بالنسبة لمحركات الديزل.

إن محركات المكابس ما زالت تشغل حيزا كبيرا من الآلات والمراكب الموجودة حولنا اليوم، لا سيما فيما يتعلق بالآلات العسكرية والبحرية، على الرغم من ارتفاع صيحة المحركات الكهربائية مؤخرا، إذ لا تزال محركات المكابس تحظى بشعبية وثقة سكان الأرض، ولا يتصور كثيرون بأنّ ثمة بديلا منافسا حاضرا الآن، لذا فإن عمل وقود ذي انبعاثات أقل ضررا يعد مطلبا كبيرا، وثمة دراسات حقيقية على المحركات الهيدروجينية التي يرى البعض بأنها ستكون مستقبل محركات المكابس.

 

المصادر

[1] جرينينج، واين (2022). أقدم محرك أوتو رباعي الأشواط في العالم. الاسترداد من: https://www.gasenginemagazine.com/gas-engines/oldest-otto-4-stroke-engine-zm0z22aszawar/

[2] كوكس، لوران (2022). من اخترع السيارة؟. الاسترداد من: https://www.livescience.com/37538-who-invented-the-car.html

[3] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). إعادة صناعة بنز باتينت موتورفاغن. الاسترداد من: https://rmsothebys.com/en/auctions/am19/amelia-island/lots/r0064-1886-benz-patent-motorwagen-recreation/740729#:~:text=Benz%20officially%20unveiled%20his%20invention,stroke%20954%2Dcc%20engine%20produces%20.

[4] محررو الموقع (2019). رائدات: بيرتا بنز وأول رحلة برية في التاريخ. الاسترداد من: https://www.denso-am.eu/news/deneur19_12_female-pioneers-bertha-benz