السلام عليكم احبائي
موضوعنا اليوم
عن المحرك
وبالنسبة لتصمبم الموضوع فاراكم مهمة جدا
تحياتي
المحرك
رسم بياني يوضح ازاحة المحرك
المحرك Engine ، هو جهاز يقوم بتحويل أشكال الطاقة المتنوعة إلى طاقة حركة.
أنواع المحركات
طريقة عمل المحرك البخاري الثلاثي
من أشهر محركات الإحتراق:
محرك ديزل
محرك ديزل لسفينة
محرك و طريقة الديزل برؤية التحريك الحراري
يعتبر محرك الديزل من محركات الاحتراق الداخلي حيث يقوم بتحويل الطاقة الكيميائية الكامنة في وقود (زيت الغاز)الى طاقة حركية. أول من اخترع المحرك الديزل هو رودولف ديزل في عام 1892 و الهدف من وراء هذا الإختراع هو إيجاد محرك ذو كفاءة أعلى من كفاءة محرك البنزين. وتأتي الزيادة في الكفاءة من إرتفاع نسبة االضغط (compresses ratio) في محركات الديزل حيث تتراوح ما بين 1:14 إلى 1:25 أما البنزين فيتراوح ما بين 1:8 إلى 1:12 و كما هو معروف أن كفاءة المحرك تتناسب طرديا مع نسبة االضغط.
يمكن تفسير كيفية عمل محرك الديزل إستناداً إلى الترموديناميكا التي تصف عملية الديزل (Diesel Process) على النحو التالي:
يتم ضغط الغاز تحت ظروف إيزونتروبية أي أن الغاز يضغط دون تبادل للحرارة مع المحيط الخارجي للآلة الضاغطة(النظام).
إضافة حرارة للمنظومة مع الإحتفاظ بنفس الضغط (isobaric).
تمدد الغاز إيزونتروبيا.
إخراج الحرارة من الآلة الضاغطة مع المحافظة على نفس الحجم.
البنية الميكانيكية لمحرك الديزل
يتكون المحرك من مجموعه من المكابس تتناوب في حركة إزاحة ذهابا وإيابا من أجل إدارة عمود ( الكرنك ) وبذلك تتولُّد حركة دورانية من حركه ترددية منتظمة.
شرح كيفية عمل الكباس الواحد
يهبط الكباس في الاسطوانه المحكمة الغلق علية ليسحب الهواء ويملاء به الفراغ داخل الأسطوانة.
حين صعود الكباس يقوم بضغط الهواء كلما اقترب من أعلى الأسطوانة.
وعند مكان معين من صعوده يتم حقن الديزل اللازم للإشتعال.
تحت الضغط العالي والحرارة الكافية مع وجود وقود يحدث احتراق قوي كاف لدفع الكباس إلى أسفل الأسطوانة.
يتصل الكباس بوصلات وأجزاء ميكانيكية، تساعد ميكانيكيتها على دوران عمود الكرنك المطلوب دورانه في تحريك القطع الأخرى.
دورة المحرك:
تتكون دورة المحرك من أربع مراحل هي: 1/ السحب. 2/ الانضغاط. 3/ الإشتعال أو الإحتراق. 4/ العادم.
ميزات و مساوئ محرك ديزل
ذو كفاءة عالية مقارنة بمحرك البنزين. لنفس حجم المحرك يكون محرك الديزل ذو قدرة و عزم دوران أعلى من محرك البنزين..
يعتبر وقود الديزل ذو تكلفة منخفضة مقارنة بباقي أنواع الوقود كما أن الطاقة الكامنة فيه أعلى من الطاقة الكامنة في وقود البنزين.
إن نسبة الضغط العالية في محركات الديزل والتي تصل إلى 1:25 يجبر المصمم على زيادة حجم ووزن المحرك مما يؤدي إلى غلاء محركات الديزل نسبيا.
تستخدم محركات الديزل بكثرة في المعدات التي تحتاج قدرة وعزماً عاليين، على سبيل المثال مولدات الكهرباء الضخمة والآليات الكبيرة، لأن الكتلة الكبيرة لمحركات الديزل تجعل تعجيل التسارعي للمحرك قليلا مقارنة بمحرك البنزين مما يقلل من رغبة في استخدامها في السيارات الصغيرة.
محرك الديزل الحديث في السيارات
تعتمد محركات الديزل على مبدئ الإشتعال الذاتي لخليط الوقود بالهواء إلا أن هذا الخليط تطبيقيا لا يشتعل حين يكون المحرك باردا مما يجعل محرك الديزل يحتاج رغم كونه محرك إشتعال ذاتي إلى شموع إشعال. كما أن المحرك يحتاج ليبدئ عمله إلى أن يطلقه محرك كهربائي. أي أنه في البداية يقوم محرك كهربائي بتحريكه و بضخ الهواء فيه. تستعمل العديد من المحركات تقنية صمام الضخ الموحد common rail الذي يمكن من الوصول إلى درجات عالية من الضغط بالوقود و التحكم في في ضخه في غرف إحتراق المحرك و هو نظام موجود تقريبا في معظم المحركات ذلت الضخ المباشر أي المحركات التي يتم مباشرة إحراق الوقود فيها بعد خروجه من المضخة على عكس أنظمة الضخ الغير المباشرة حيث تكون طريقة بناء غرفة الإحتراق و الضخ بكيفية تجعل الخليط يختلط جيدا قبل الإحتراق حيث أن هذه التقنية لا لزوم لها في تقنية الضخ المباشر. محركات الديزل الحديثة كلها متحكم فيها عن طريق حاسوب إلكتروني مضمن في السيارة يقوم بالتحكم في كمية الوقود المضخة في غرف الإحتراق بالإضافة إلى التحكم في العديد من المعاملات الأخرى إنطلاقا إما من نماذج عن تلك العمليات أو عن مستشعرات مثل مستشعر لمدا أو مستشعر التدفق الهوائي. يمكن التحكم في محركات الديزل من الوصول إلى خاصيات أفضل و الحصول على قوة أكبر باستهلاك أقل للديزل بالإضافة إلى التحكم في نسبة الإنبعاثات.
محرك أوتو
محرك أوتو
محرك أوتو هو مصطلح يستعمل للدلالة على محرك احتراق داخلي الذي يتم فيه إشعال خليط الوقود والهواء بواسطة شرارة. يختلف هذا المحرك عن محرك الديزل الذي تتم عملية الإشعال فيه نتيجة للضغط. قد يكون المحرك ذو مشواران (شوطان) أو ذو أربعة مشاوير (أشواط).
الشوط الأول: ( مشوار السحب )
حيث يتحرك المكبس من الأعلى إلى الأسفل, ويكون صمام السحب مفتوحاً حيث يسمح بدخول الخليط المكون من البترول والهواء, إلى حجرة المحرك, - وهناك إختلاف في طرق التي يتم فيها تكوين الخليط, وأما الطريقة الحديثة ففيها يقوم المكبس بسحب الهواء فقط من النطاق الخارجي ماراً بمنقيات ومصافي ( فلاتر ) بينما تقوم البخاخات بنثر الهواء بشكل جزيئات في انبوب السحب, وبذلك يتكون الخليط.
وينتهي شوط السحب بوصول المكبس إلى النقطة الميتة السفلى, أي نهاية الشوط الذي يتحرك المكبس فيه ضمن الاسطوانة.
الشوط الثاني: ( شوط الضغط )
وبهذا المشوار, يتحرك المكبس من النقطة الميتة السفلى ( التي كان قد وصلها في نهاية شوط السحب ) إلى النقطة الميتة العليا, وهي أعلى نقطة ممكن أن يصلها المكبس ضمن الاسطوانة, ضاغطا بذلك الخليط ورافعاً درجة حراراته نتيجة الضغط, مع الملاحظة بأن الصبابان في حالة الضغط يكونا مغلقين.
وفي نهاية شوط الضغط أي عند وصول المكبس إلى النقطة الميتة العليا, تنطلق الشرارة من شمعة الاشعال, المبينة صورتها بين الصبابين. ليبداً بذلك شوط القدرة.
- الشوط الثالث: ( شوط القدرة )
- عند وصول المكبس إلى النقطة الميتة العليا تقوم شمعة الاشعال بإرسال الشرارة, بتوقيت وقوة معينتين مفجرة بذلك الخليط المكون من البترول والهواء, والذي قد ضغط ورفعت درجة حرارته نتيجة لحركة المكبس في مشوار الضغط كما أسلفنا سابقا. ونتيجة للضغط وتوفر العوامل التالية ( هواء + بترول + ضغط وفي النهاية شرارة ) فيحدث الاشعال الذي ينتقل بسرعة بين جزيئات الخليط مولداً قوة ضغط كبيرة مؤثرة على سطح المكبس فتقوم بدفعه إلى الأسفل أي من النقطة الميتة العليا إلى النقطة الميتة السلفلى, وهذا الشوط يسمى بالشوط الفعال, أو شوط القدرة لأن المجرك يعتمد في عمله على القوة التي يولدها شوط القدرة,
- الشوط الرابع: ( شوط العادم )
يبدأ هذا الشوط بإنتهاء شوط القدرة, حيث يرتفع المكبس من النقطة الميتة السفلى إلى النقطة الميتة العليا, مع فتح صباب العادم سامحاً بخروج العادم المتولد عن احتراق الخليط, طارحاً إياه إلى الهواء الخارجي.
وبذلك نكون قد اتتمنا عملة الاحتراق كاملة في المحرك.
ربما سيطرح السؤال نفسه: من أين اتت حركة المكابس في الأشواط الثلاثة غير شوط القدرة, والجواب هو أن المحرك الذي قد أسلفت في شرحه هو من أربعة اسطوانات. أي انه دائماً تكون احد المكابس في حالة قدرة والثلاثة الأخرى, في سحب وآخر في عادم وآخر في ضغط.
- وهذه الدورة تكون في المحركات رباعية الأشواط, وهناك محركات مزدوجة الأشواط سنقوم بإستعراضها لاحقاً.
الأسس الترمودينامكية
الأشواط الأربعة في محرك إحتراق داخلي
رسم بياني مبسط لعملية ترموديناميكية مثالية لمحرك أوتو.الأسس الترموديناميكية في محركات الإحتراق الداخلي تنقسم ترتكز على ثلاث قيم حرارية متغيرة و هي: الحجم و الضغط و الحرارة. كل من هذا المتغيرات لها تأثير على القيمتين الأخريتين،و بهذا يتبع التأثير على الطاقة الحرارية المتوفرة في المحرك. بشكل عام، يمكن القول أنه عندما يصغر حجم الغاز المكبوس يزيد ضغطه، فترتفع حرارته. إذن يتم استخدام الطاقة الحرارية لتوليد طاقة حركية بأن يتم تغيير الحالة الطاقية للغاز الموجود في أنبوب المحرك، و ذلك من خلال التحكم بالتغيرات التالية:
الإرتفاع أو الهبوط بحرارة الخليط
الإرتفاع أو الهبوط بحجم الخليط
الإرتفاع أو الهبوط بضغط هذا الخليط
من خلال الأشواط الأربعة الحاصلة، تحدث أربع تغيرات ترموديناميكية بفعل العمليات التالية:
1. عملية الضغط
المكبس يتحرك إلى فوق في حين أن الصمامات مغلقة. و بهذا:
ينخفض حجم الخليط المكبوس
ترتفع حرارة الخليط
و يزيد ضغطه
مما يجعل من الخليط، مادة قابلة للإنفجار. هنا يحصل النظام الحراري على ""الشغل"" الناتج عن الضغط.
2. عملية الإنفجار و زيادة الحرارة
هنا تقوم شمعة الإشتعال بحرق الخليط المضغوط، مما يؤدي إلى إنفجاره. و بهذا:
يبقى الحجم ثابتا خلال لحظة الإشتعال، كون الإنفجار يحصل بسرعة كبيرة تقرب المالانهاية.
تزيد الحرارة بشكل مرتفع جدا. هنا يحصل النظام على الطاقة الحرارية التي ستتحول فيما بعد إلى طاقة حركية
3. عملية التمدد
هنا يندفع المكبس إلى الأسفل بفعل الإنفجار، و يهذا:
يرتفع حجم الغاز الناتج عن إحتراق الخليط.
يهبط الضغط مع فتح صمام العادم عند وصول المكبس إلى النقطة السفلى
هنا يحصل النظام الحراري على الشغل الناتج عن دفع الإنفجار للمكبس إلى الأسفل.
4. عملية التخلّص الحراري
مع فتح صمام العادم:
تنفذ الحرارة إلى الخارج
يتم إخراج الغاز العادم من الأنبوب و بهذا يقل حجم الأنبوب و تنخفض حرارته.
محرك إحتراق داخلي ذو شوطين
صورة محركة تبين طريقة عمل المحرك ذو شوطين
يأتي اسم هذا النوع من المحركات لكون طريقة حركتها تتألف من مشوارين للمكبس لأجل إتمام الأشواط الأربعة مقارنة مع محركات الأوتو ذو الأربع مشاوير حيث يتم كل شوط بمشوار. و يسمى هذا النوع من المحركات أيضا بالمحرك بلا صمام، لعدم استخدام الصمامات فيه.
الميزات
صغر الحجم لبساطة التصميم
الوزن الخفيف بفضل الإستغناء عن الصمامات و توابعها. هنا يقوم المكبس بتنظيم دخول و خروج الخليط.
يحصل الإشتعال عند كل مشوار للمكبس. مما يسرع حركة دوران المحرك.
طريقة عمله تؤمن له مجالات استخدام أوسع حيث تكون الوضعية الأفقية أو المائلة لازمة. (منشار كهربائي، دراجة نارية جبلية)
كلفة تصنيع منخفضة.
يتم مزج الزيت بمادة الإحتراق، مما يزيد من إرتفاع نسبة الغازات السامة المنبعثة من المحرك.
تطبيقات لمحرك ذو شوطين
منشار كهربائي، دراجات نارية، سيارات صغيرة، سيارات سكارت، سكووتر..
محرك قديم لإحدى سيارات شركة ساب ذو شوطين
منشار آلي من شركة شتيل الألمانية يعمل بمحرك ذو شوطين
محرك ستيرلينغ
محرك ستيرلينغ، يعرف أيضا بمحرك الهواء الساخن ، إخترعه روبرت ستيرلنغ عام 1816 بتحسينه من تصميمات سابقة واخرج أول براءة إختراع به.
الأسس النظرية الترمودينامكية
يمكن تفسير كيفية عمل محرك ستيرلينغ إستنادا إلى الترموديناميكا التي تصف عملية الستيرلينغ (Stirling Process) على النحو التالي:
1- يقع ضغط الغاز مع المحافظة على نفس درجة الحرارة (isotherm) و في نفس الوقت هناك تبادل حراري مع المحيط حيث يتم إخراج كمية حرارية من النظام(هنا يجب الإنتباه إلى عدم الخلط بين مفهوم الحرارة temperature التي هي متغير حالي و ما سميناه الكمية الحرارية التي هي متغير عملياتي أي لا يتمظهر إلا عند عملية التحول من حالة لأخرى)
2- مع المحافظة على حجم الغاز يقع إدخال كمية حرارية إلى الغاز
3- يقع تمدد الغاز مع المحافظة على درجة الحرارة و إضافة كمية حرارية للنظام
4- المحافظة على حجم الغاز مع إخرج كمية حرارية
محرك الاحتراق الداخلي
إنّ محرّكَ الإحتراقِ الداخليِ هو محرك حراري يحصل فيه إحتراق الوقود للحصول على شغل يَحْدثُ الاحتراق في حيز يسمّى بغرفة الإحتراقِ و بعبارة اخرى محرك الاحتراق الداخلي يحول الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى شغل. يولد هذاالاحتراق ردِّ فعل الحراريِ ناتج من تمدد خليط الوقود مع الهواء داخل غرفة الاحتراق هذا التمدد ناتج عن احتراق خليط الوقود مع الهواء مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخليط و زيادة هائلة في ضغط الغازات الموجودة في غرفة الاحتراق .هناك عدة انواع من محركات الاحتراق الداخلي مثل المحرك التردديِ، محرك دوّار، محرك النفاث (Jet engine ).
الفرق بين محرك الاحتراق الداخلي و الإحتراقِ الخارجي هو ان محرك الاحتراق الخارجي يحدث فيه احتراق الوقود في غرف خاصة تدعى(Combution chambers) و يتم نقل الطاقة المتولدة من الاحتراق بواسطة مائع إلى الحيز الذي يحدث فيه التمدد و انتاج الشغل، وغالبا ما يستخدم الماء كمائع لنقل الطاقة.
يعبر عن محرّك الإحتراقَِ الداخليَ (ICE). تصنف مكائن الاحتراق الداخلي إلى: -مكائن الاحتراق المتقطع و المثال على ذلك محركات الحركة الترددية التي غالبا ما تستخدم في السيارات
-محرّكات إحتراقِ مستمرةِ مثل المحركات النفّاثةِ التي تستخدم في طائرات و الصواريخِ.
تــاريـخ
1-غير - مضغوط
ليوناردودافينسي في 1509، وكرستيان هايغنس في 1673، وَصفَ محرّكاتَ الضغطِ الثابتةِ.
2-مضغوط
إنّ الإمتيازَ الأهمَّ بين محرّكاتِ الإحتراقِ الداخليةِ الحديثةِ والتصاميمِ المبكّرةِ إستعمالُ الضغطِ وبشكل خاص في ضغطِ الإسطوانةِ. نظرية الثرموداينميك للمحركات الحرارية المِثاليةِ أُسّسَ مِن قِبل سادي كارنوت في فرنسا في 1824. هذه المبرهنة العلمية هي الحاجةِ للضغطِ لزيَاْدَة الإختلافِ بين درجاتِ الحرارة العاملةِ العلياِ والأوطأِ، لَكنَّ ذلك لَيسَ واضحَاً لمصممي المحرّكِ ،كَانوا مدركون لهذا قبل استعمال الضغطِ عموماً. في الحقيقة هو لَرُبَما ضلّلَ المصممين الذين حاولوا مُحَاكاة دورةِ كارنوت في حين دورة كارنو كانت دورة مثالية ولا يمكن محاكاتها على أرض الواقع, فأصبحت مقياسا لجودة الدورة حيث تحسب نسبة مردود أي دورة إلى مردود دورة كارنو لمعرفة مدى فعاليتها .
المحرك البخاري
طريقة عمل المحرك البخاري الثلاثي
المحرك البخاري هومحرك يتستفيد خارجي حرارة الاحتراق التيمن الطاقة الحراريه الموجودة في الابخره تحويله إلى عمل ميكانيكي.
مصطلح المحرك البخاري قد يشير ايضا إلى كامل القاطره البخاريه والسكك الحديديه. بمحرك بخاري
محركات البخار استخدمت المحرك في محطات الضخ ، والقاطرات البخاريه سفن الجر المحركات البخاريه الشاحنات والسيارات الاخرى. انها اساسية إلى الثورة الصناعية ، وشاهد على نطاق واسع الاستخدام التجاري قيادة الآلات في المصانع والمطاحن ، على الرغم من ان منذ ذلك الحين حل محركات الاحتراق الداخلي والمحركات الكهرباءيه محل محركات البخار
التوربينات البخاريه تقنيا نوع المحرك البخاري ، لا تزال تستخدم على نطاق واسع لتوليد الكهرباء حوالي 86 ٪ من مجمل الطاقة الكهرباءيه في العالم تولدها استخدام التوربينات البخاريه.
المحرك البخاري يتطلب المرجل لتسخين الماء إلى بخار. توسع او انكماش يمارس قوة البخار على التوربينات المكبس او شفره ، الاقتراح الذي يمكن تسخيرها للعمل الذي انتقل العجلات الدافعه او غيرها من الآلات.
من مميزات المحرك البخاري ان اي مصدر الحراره يمكن أن تستخدم لزيادة البخار في المرجل ؛ ولكن الاكثر شيوعا هو سعير النار الحطب والفحم او النفط او الطاقة الحراريه المتولده في المفاعلات النووية.
مخترع المحرك البخاري هو جيمس واط (1736 – 1819م) كان مهندس اسكتلندي ، ولد في غرينوك من أب كان يعمل في بالتجارة دون أن يحقق نجاحا . تلقى وات تدريبه عن صانع للأدوات في لندن ، ثم عاد إلى جلاسجو ليعمل في مهنته . وقد كان وات على علاقة صداقة قوية مع الفيزيائي جوزيف بلاك مكتشف الحرارة الكامنة ، وكان لهذه الصداقة الأثر الهام في توجيه وات إلى الاهتمام بالطاقة التي يمكن الاستفادة منها من البخار كقوة محركة وقد أجرى عدة تجارب للاستفادة من ضغط البخار . ثم وقع في يده محرك بخاري من طراز نيوكومن فاخترع له مكثفا وأجرى عليه بعض التعديلات والتحسينات مثل المضخة الهوائية وغلاف لاسطوانة البخار ومؤشر للبخار مما جعل المحرك البخاري آلة تجارية ناجحة . وقد أدعى وات اكتشاف تركيب المتاء قبل كافندش أو في نفس الوقت . وقد سميت وحدة القدرة الكهربية باسم وات تخليدا له . أسس وات بالاشتراك مع بولتون شركة هندسية هي شركة سوهو للأعمال الهندسية وقد أدهل الشريكان مصطلح وحدة القدرة الحصانية H.P)Horse Power) حيث كيلو وات1H.P = 0.746 .
جيمس واط
"جيمس وات" مخترع المحرك البخاري
الميلاد 19 يناير 1736
جرينوك، أسكتلندا
الوفاة 19 اغسطس 1819
هيت فيلد، أسكتلندا
و عادة ما نجدها في ميدان تحريك الآلات و خاصة النقل كالسيارات والسفن. و توجد محركات أخرى لا تولد الحركة عن طريق إحراق الوقود مثل
المحرك كهربائي
نبذة تاريخية
بدأ تطوير المحركات الكهربائية في بداية القرن التاسع عشر باكتشاف المغانط الكهربائية. ففي عام 1820م، اكتشف الفيزيائي الدنماركي هانز كريستيان أورستد أن السلك الذي يمر فيه تيار كهربائي يولد حوله مجالا مغنطيسيًا. وفي العشرينيات من القرن التاسع عشر وجد عدد آخر من العلماء طرقاً لعمل مغانط كهربائية أقوى، وجعلها عملية بشكل أفضل. ففي عام 1825م، قام كهربائي إنجليزي يدعى وليم ستيرجون بلف موصل حول قضيب حديدي لينتج مغنطيسًا كهربائيًا أقوى. وفي أواخر العشرينيات من القرن التاسع عشر، أوضح الفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري أنه يمكن ابتكار مغنطيس كهربائي أكثر قوة بلف عدة طبقات من الأسلاك المعزولة حول قطعة من الحديد.
وفي عام 1831م ، قام الكيميائي الفيزيائي الإنجليزي مايكل فارادي بالعديد من التجارب التي تضمنت مغنطيسات وتيارات كهربائية. وفي إحدى التجارب، قام بتدوير قرص نحاسي بين قطبين مغنطيسيين على هيئة حدوة حصان. وعملت هذه المعدات مولدًا بسيطًا، حيث ولدت جهداً كهربائياً بين المركز وحافة القرص النحاسي. ثم عرَّض فارادي مركز القرص وحافته لجهد كهربائي بينهما عندما كان القرص في حالة السكون، فبدأ القرص في الدَّوران. وكانت هذه الآلة البسيطة أول محرك كهربائي، ولكنها لم تكن ذات قوة كافية لتقوم بعمل مفيد، وكانت غير مجدية على الإطلاق. ولكن رغم ذلك كان فارادي قد أسس بها مبدأ المحرك الكهربائي - وهو أن الحركة المستمرة يمكن إنتاجها بإمرار تيار كهربائي خلال موصل في وجود مجال مغنطيسي قوي.
وفي عام 1873م ، ظهر أول محرك تيار مستمر ناجح تجاريا، حيث عرضه مهندس كهربائي بلجيكي يُدعى زينوب ثيوفيل جرام في فيينا.وقدم جرام أيضاً حافظة من شأنها تحسين كفاءة المحركات والمولدات الكهربائية البدائية.
وفي عام 1888م ، اخترع مهندس صربي الأصل يدعى نيقولا تسلا محرك التيار المتناوب. وفي بداية القرن العشرين الميلادي، تم تطوير كثير من المحركات الكهربائية المتقدمة.
وفي العقد الأول من القرن العشرين، أجرى العديد من المهندسين والمخترعين تجارب مع المحركات الكهربائية الخطية. فبدلا من الدوران تنتج مثل هذه المحركات موجة كهرومغنطيسية تستطيع مباشرة تسيير عربة. وأصبح استخدام المحرك الخطي أكثر شيوعاً بفضل العمل الرائد للمهندس الكهربائي إيريك ليثويت في الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين.
المُحَرِّك الكهربائي: آلة تحوِّل الطاقة الكهربائية إلى قدرة ميكانيكية لإنجاز عمل. وتُستَخدم المحركات الكهربائية لتشْغيل عدة آلات ومعدات ميكانيكية مثل غسالات الملابس وأجهزة التكييف والمكانس الكهربائية ومجفِّفات الشعر وآلات الخياطة والمثاقب الكهربائية والمناشير. وتشغل أنواعٍ شتى من المحركات الأدوات الميكانيكية، والروبوتات، وأيضاً المعدات التي تسهِّل العمل داخل المصانع.
ويتنوع حجم وسعة المحركات الكهربائية تنوعًا كبيرًا. فقد يكون جهازاً صغيراً يقوم بوظائفه داخل ساعة يد أو محرِّكاً ضخماَ يمد قاطرة ثقيلة بالقدرة. ففي الوقت الذي تحتاج فيه الخلاطات ومعظم أدوات المطبخ الأخرى لمحركات كهربائية صغيرة لأنها تحتاج فقط لقدرة بسيطة، تتطلب القطارات استخدام محركات أكبر وأكثر تعقيدا، ذلك لأن المحرك في هذه الحالة عليه أن يبذل جهدًا كبيرًا في وقت قصير.
وبناء على نوع الكهرباء المستخدمة، هناك نوعان رئيسيان للمحركات: 1- محركات تعمل بالتيار المتناوب 2- محركات تعمل بالتيار المستمر. يعكس التيار المتناوب اتجاه سريانه خمسين أو ستين مرة في الثانية. وهو التيار المستعمل في المنازل. وتستعمل محركات التيار المستمر أيضاً بشكل شائع في الأدوات المنزلية. ويسير التيار المستمر في اتجاه واحد فقط، ومصدره الرئيسيّ هو البطارية. وتستخدم محركات التيار المستمر استخداماً شائعا لتشغيل المعدات الميكانيكية في المصانع. كما أنه يستخدم باديء تشغيل في المحركات التي تعمل بالبنزين. وتعتمد المحركات الكهربائية على مغانط كهربائية لتنتج القوة اللازمة لإدارة الآلات أو المعدات الميكانيكية. وتسمى الآلات أو المعدات التي تدار بالمحرك الكهربائي الحمْل. ويُوصَّل عمود إدارة المحرك بالحمل.
مبادئ أساسية
كيف يعمل المحرك الكهربائي يتكون المحرك الكهربائي أساسًا من مغنطيس ثابت وموصل متحرك. وتشكل خطوط القوى بين أقطـاب المغنطيس مجـالاً مغنطيـسيًا ثابتًا. وعندما يمر تيـار كهربائي خلال الموصل يصبح الموصل كهرومغنطيسيًا وينتج مجـالاً مغنطيسيًا آخر. ويقوي المجالان المغنطيسيان كل منهما الآخر ويدفعان ضد الموصل. يعتمد تشغيل المحرك الكهربائي على ثلاثة مبادئ رئيسية: 1ـ يولِّد التيار الكهربائي مجالاً مغنطيسيا، 2ـ يحدد اتجاه التيار في المغنطيس الكهربائي موقع الأقطاب المغنطيسية، 3ـ تتجاذب الأقطاب المغنطيسية أو تتنافر مع بعضها.
فعندما يمر تيارٌ كهربائيٌ خلال سلك يولّد مجالاً مغنطيسيًا حول السلك. وإذا تم لف السلك على هيئة ملف حول قضيب معدني، فإن المجال المغنطيسي يتعاظم حول السلك ويصبح القضيب المعدني ممغنطًا. وهذا الترتيب للقضيب وسلك الملف هو مغنطيس كهربائي بسيط، وتعمل نهايتاه كقطبين شمالي وجنوبي. وإحدى الطرق التي توضح العلاقة بين اتجاه التيار والأقطاب المغنطيسية هي قاعدة اليد اليمنى. امسك سلكاً على هيئة ملف في يدك اليمنى، واعتبر هذا الملف مغنطيسًا كهربائيًا. لف أصابعك حوله بحيث تشير إلى اتجاه التيار، عندها يشير إصبع الإبهام إلى القطب الشمالي المغنطيسي ولا تنطبق هذه الطريقة إلا في حالة سريان التيار من الطرف الموجب إلى الطرف السالب.
والأقطاب المغنطيسية المتشابهة تتنافر كما هو الحال بالنسبة لقطبين شماليين، والأقطاب المغنطيسية المختلفة تتجاذب مع بعضها. فإذا تم تعليق قضيب مغنطيسي بين طرفي مغنطيس على هيئة حدوة حصان، فإنه سيدور حتى يصبح قطبه الشمالي في مقابل القطب الجنوبي لمغنطيس حدوة الحصان، في حين يكون القطب الجنوبي لمغنطيس القضيب في مقابل القطب الشمالي لمغنطيس حدوة الحصان.
أجزاء المحرك الكهربائي
يتكون المحرك الكهربائي أساساً من موصل كهربائي دوار، موضوع بين قطبين شمالي وجنوبي لمغنطيس ثابت. ويعرف الموصل باسم الحافظة (غلاف الأرماتور)، بينما يعرف المغنطيس الثابت باسم بِنْيَة المجال. وهناك أيضًا المبدِّل الذي يعدّ جزءاً ضرورياً في كثير من المحركات الكهربائية وخاصة محركات التيار المستمر.
بنية المجال. تولد بنية المجال مجالاً مغنطيسياً داخل المحرك، حيث يتكون المجال المغنطيسي من خطوط قوى توجد بين قطبي المغنطيس الثابت. وتتكون بنية المجال في محرك التيار المستمر البســيط من مغنطيس دائم يســـــــمى مغنطيس المجال. وفي بعض المحركات الأكبر حجماً والأكثر تعقيدا تتركب بنية المجال من أكثر من مغنطيس كهربائي تتغذى بالكهرباء عن طريق مصدر خارجي. وتسمى مثل هذه المغانط الكهربائية ملفات المجال.
الحافظة. تصبح الحافظة ـ التي عادة ما تكون أسطوانية الشكل ـ مغنطيسا كهربائيًا عندما يمر التيار من خلالها. وهي متصلة بعمود إدارة، حتى تتمكن من إدارة الحمل. وتدور الحافظة في محركات التيار المستمر البسيطة الصغيرة بين أقطاب المجال المغنطيسي حتى يصبح قطبها الشمالي مقابلاً للقطب الجنوبي للمغنطيس. ويعكس عندها اتجاه التيار لتغيِّر قطب الحافظة الشمالي ليجعله قطباً جنوبيا، فيتنافر القطبان الجنوبيان، مما يجعل الحافظة تقوم بنصف دورة. وعندما يصبح قطبا الحافظة مقابليْن للقطبين المختلفين للمجال المغنطيسي مرة أخرى يتغير اتجاه التيار مرة أخرى.
وفي كل مرة ينعكس فيها اتجاه التيار، تدور الحافظة نصف دورة. وتتوقف الحافظة عن الدوران عندما لا ينعكس اتجاه التيار. وعندما تدور الحافظة فإنها لاتقطع خطوط القوى المغنطيسية التي تولِّدها بنية المجال. وينتج قطع المجال المغنطيسي جهداً في الاتجاه المعاكس للقوة المحرِّكة. وهذا الجهد الكهربائي يسمى القوة الدافعة الكهربائية المعاكسة التي تقلِّل من سرعة دوران الحافظة، كما أنها تقلل من التيار الذي تحمله. فإذا كان المحرك يدير حملاً بسيطاً فإن الحافظة ستدور بسرعة عالية وتولِّد قوة دافعة كهربائية معاكسة أكبر. وعندما يزداد الحمل تدور الحافظة أبطأ حيث تقطع عدداً أقل من خطوط القوى المغنطيسية. وعلى ذلك، فإن المحرك الذي يحمل حملاً أكبر يعمل بكفاءة أكثر لأنه يستخدم طاقة أقل لبذل شغل.
المبدل، يستخدم المبدِّل بصفة أساسية في محركات التيار المستمر، حيث يعكس اتجاه التيار في الحافظة ويساعد على نقل التيار بين الحافظة ومصدر القدرة. ويتكون المبدل في محرك التيار المستمر من حلقة مقسمة إلى جزءين أو أكثر، ومثبتة في عمود الإدارة مقابل الحافظة. وتتصل نهايات ملفات الحافظة بالأجزاء المختلفة.
يوصل التيار الكهربائي القادم من مصدر القدرة الخارجي بالمبدل عن طريق قطعة صغيرة تسمى الفرشاة. وهناك أيضاً فرشاة أخرى موضوعة في الجانب الآخر للمبدل تعمل على حمل التيار، وإرجاعه إلى مصدر القدرة. وعندما تتصل إحدى الحلقات مع الفرشاة الأولى، تلتقط التيار الكهربائي من الفرشاة وترسله عبر الحافظة، وعندما تقع الأقطاب المغنطيسية التي تتكون على الحافظة بعد الأقطاب المتشابهة لمغنطيس المجال، تدور الحافظة نصف دورة مارة بإحدى الفجوات التي تفصل الحلقات. ثم تتصل الحلقة الثانية من المبدِّل مع الفرشاة الأولى وتصبح حاملة للتيار إلى الحافظة، وبهذا ينعكس اتجاه التيار كما ينعكس موضع الأقطاب في الحافظة. وعندما تتقابل الأقطاب المتشابهة لمغنطيس المجال والحافظة تستمر الحافظة في الدوران.
أنواع المحركات الكهربائية
أجزاء محرك التيار المستمر المصدر الشائع لقدرة المحرك هو التيار المستمر من البطارية. ولأن التيار المستمر يسير في اتجاه واحد، فإن محركات التيار المستمر تعتمد على مبدلات ذات حلقات مشقوقة لتعكس اتجاه سريان التيار. ويساعد المبدل أيضًا على نقل التيار بين مصدر القدرة والحافظة. محركات التيار المستمر. تحتاج محركات التيارالمستمر إلى مبدِّلات حتى تعكس اتجاه التيار. وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من محركات التيار المستمر وهي: محركات توالي، وتوازي، ومُركبة. والاختلاف الرئيسي فيما بينها هو في ترتيب الدائرة بين الحافظة وبين بنية المجال.
ففي محركات التوالي، يتصل كل من الحافظة ومغنطيس المجال كهربائيا على التوالي. ويسري التيار خلال مغنطيس المجال ثم الحافظة. وعندما يسري التيار خلال البنية بهذا الترتيب يزيد قوة المغانط. وتبدأ محركات التوالي العمل سريعاً، حتى وإن كانت تعمل على حِمْل ثقيل رغم أن هذا الحمل سيقلل من سرعة المحرك.
وفي محركات التوازي، يُوصَّل كل من المغنطيس والحافظة على التوازي. ويسري جزء من التيار خلال المغنطيس بينما يسري الجزء الآخر خلال الحافظة. ويلف سلك رفيع حول مغنطيس المجال عدة مرات من أجل زيادة المغنطيسية. ويخلق إنشاء المجال المغنطيسي بهذه الطريقة مقاومة للتيار. وتعتمد قوة التيار ودرجة المغنطيسية تبعاً لذلك، على مقاومة السلك بدلا من حِمْل المحرك.
ويعمل محرك التوازي بسرعة ثابتة بغض النظر عن الحِمْل، ولكن إذا كان الحمل كبيرا جداً تحدث مشاكل للمحرك عند بدء التشغيل.
وللمحرك المُرَكَّب مجالان مغنطيسيان متصلان بالحافظة، أحدهما على التوالي والآخر على التوازي. وللمحركات المركبة مميزات كلً من محرك التوالي ومحرك التوازي، إذ يسهل بدء تشغيلها مع حمل كبير وتحافظ على سرعة ثابتة نسبياً حتى ولو زاد الحمل فجأة.
لا تحتوي معظم محركات التيار المتناوب على مبدلات، لأن التيار يعكس نفسه تلقائيا. وفي بعض محركات التيار المتناوب، يسري التيار القادم من المصدر الخارجي إلى الأجزاء المتحركة من المحرك وبالعكس، عبر مجموعة من الفرش تعمل متصلة بحلقات انزلاق بدلا من حلقات منفصلة.
أجزاء محرك التيار المتناوب تستقبل معظم محركـات التيـار المتنـاوب القدرة من مخـارج الكهـرباء. ويعكـس التيار المتناوب اتجاه سريانه تلقائيًا. ويسمى الموصل الدوار في محرك التيار المتناوب عادة العضو الدوار. أما الجزء الساكن (الثابت) الذي يشتمل على مغنطيس المجال وملفات المجال فيشار له أحيانًا باسم العضو الساكن. محركات التيار المتناوب. محركات التيار المتناوب سهلة الصنع، ومريحة في الاستعمال ولا تحتاج إلى مبدلات، ويعمل معظمها على مخارج التيار الموجودة في المنازل. ويسمى الجزء المتحرك في محرك التيار المتناوب بالعضو الدوار والجزء الثابت بالعضو الساكن. وتشمل معظم محركات التيار المتناوب الشائعة محركات حثية ومحركات متزامنة.
ويتكون العضو الدوار في المحرك الحثي من قلب حديدي أسطواني به فتحات في جانبه الطولي. وتثبت قضبان من النحاس في هذه الفتحات وتُربط بحلقة نحاسية سميكة في كل طرف. ولايتصل العضو الدوّار مباشرة بمصدر الكهرباء الخارجي. ويسري التيار المتناوب حول ملفات المجال في العضو الثابت ويولد مجالاً مغنطيسيا دواراً. ويولد هذا المجال تيارًا كهربائيًا في العضو الدوار مما ينتج عنه مجال مغنطيسي آخر. ويتفاعل المجال المغنطيسي الناشئ من العضو الدوار مع المجال المغنطيسي الآتي من العضو الساكن، مُسبِّبًا حركة العضو الدوار.
يولِّدُ العضو الساكن في المحرك التزامني مجالاً مغنطيسياً دواراً. ولكن العضو الدوار يستقبل التيار مباشرة من مصدر كهربائي خارجي بدلاً من اعتماده على المجال المغنطيسي الناشئ من العضو الساكن لتوليد تيار كهربائي. ويتحرك العضو الدوار بسرعة ثابتة متزامنة مع المجال الدوار للعضو الساكن. وتتناسب السرعة مع التردد الذي ينعكس به التيار المتناوب الناشئ من العضو الساكن. وحيث إن التردد ثابت دائما فإن المحركات التزامنية، مثلها مثل محركات التيار المركبة، لها سرعة ثابتة حتى في وجود حمل متغير. وتستهلك تلك المحركات أيضاً طاقة أقل، وتعتبر مثالية للساعات والتلسكوبات التي تتطلب توقيتا دقيقاً ودورانًا هادئًا.
المحركات العامة. تصنع المحركات العامة بحيث تعمل إما على التيار المستمر وإما على التيار المتناوب. ويستخدم المحرّك العام المُبدِّل ويشبه تكوينه الأساسي تصميم محرك التوالي ذي التيار المستمر. ففي حالة التيار المستمر، تعمل وكأنها محرك تيار مستمر على التوالي. وإذا استعمل التيار المتناوب تنعكس الأقطاب المغنطيسية للحافظة ولملفات المجال مع انعكاس تردد التيار. والمحركات العامة شائعة الاستعمال في الأجهزة المنزلية نظراً لمرونتها.
تاريخ المحركات
طريقة عمل محرك الاحتراق الداخلى الرباعى الاشواط. المحرك طرق عملة تتكون من اربع اشواط 1- الشوط الاول وهو(شوط السحب)ويكون البستون في وضع النزول لاسفل. 2- الشوط الثانى وهو(شوط الضغط )ويكون البستون في وضع الصعود. 3- الشوط الثالث وهو(شوط الطاقة)ويكون البستون وضع النزول لاسفل. 4- الشوط الرابع وهو(شوط الطرد)ويكون البستون في وضع الصعود.
1-شوط السحب؛يقوم البستون بسحب المخلوط الذى يتكون من الهواء والبنزين. 2-شوط الضغط؛يقوم البستون بضغط المخلوط لاعلى لاقصى درجة.د 3-شوط الطاقة؛تقوم شمعة الشرر باشعال المخلوط ينتج عن ذلك انفجار المخلوط ويقوم بدفع البستون لاسفل بقوة. 4-شوط الطرد؛يقوم البستون بطرد نواتج الاحتراق خارج الاسطوانة. وتتكرر هذة العملية بترتيب معين للاسطوانات وعلى حسب عددالاسطوانات وشكل المحرك كذلك تكون طريقة عمل المحرك الرباعى الاشواط بأختصار.
