اختراعات واكتشافات

قصة اختراع محرك الاحتراق الداخلي

قصة اختراع محرك الاحتراق الداخلي

كيف بدأت فكرة اختراع محرك الاحتراق الداخلي؟

تطورت الخيارات المتاحة للإنسانية للسفر البري لمدة 4000 عام، لم يتغير هذا حتى ظهور المبتكرين والمخترعين في أواخر القرن التاسع عشر، بعد أن أتاحت السكك الحديدية نقل كميات كبيرة من الأشخاص والبضائع بأسلوب رائع، كان محرك الاحتراق الداخلي هو الذي أحدث تحولًا جذريًا في التنقل الفردي، يروي تاريخنا المختصر لمحرك الاحتراق الداخلي قصة كيفية اختراعه، وكيف بدأ استخدامه في السيارات الأولى وما تمّ فعله للتخفيف من المخاطر المرتبطة بهذا الابتكار المتنقل عالي السرعة، ذات يوم في أغسطس 1888م، دهش سكان ويسلوخ، عندما رأو عربة ذات ثلاث عجلات.

والتي بدت وكأنّها تقاطع بين عربة تجرها الخيول ودراجة، تتجول في شوارع مدنهم، إلا أنّه لم يتم رؤية الخيول في أي مكان قريب، كان بها أمرأة وشابان، كانت السيارة تسير على ما يبدو بقوتها الخاصة، يتحكم فيها كرنك كانت المرأة تحمله، كان اسم المرأة بيرثا بنز، وكان المراهقون هما ابناها ريتشارد ويوجين، وكانت السيارة هي السيارة رقم 3 الحاصلة على براءة اختراع، كان كارل بنز زوج بيرثا، قد حصل على براءة اختراع للنسخة الأولى من السيارة في عام 1886م، وقدّم السيارة للجمهور في يوليو من نفس العام خلال اختبار القيادة في مانهايم.

قررتت بيرثا رفع الروح المعنوية لزوجها وإقناع معاصريهم بالتطبيق العملي لوسيلة النقل الجديدة، بإجراء اختبار قيادة شامل، وإن كان ذلك دون إخبار زوجها، أول شيء فعلته في الصباح سلكت هي وأبناؤها الطريق الذي يبلغ طوله 104 كيلومترات من مانهايم إلى مدينتها الأصلية، بفورتسهايم، والذي وصلوا إليه بسلام بعد 12 ساعة و 57 دقيقة، تعتبر هذه الرحلة أول رحلة لمسافات طويلة في تاريخ السيارات بعد ذلك قام كارل بإنشاء محرك احتراق داخلي للسيارات، لا يزال مدى أهمية التأثير الترويجي في ذلك الوقت موضوع نقاش بين الباحثين، كان كارل بنز أول رائد أعمال يطرح سيارة تعمل بمحرك احتراق في السوق.

قصة اختراع محرك الاحتراق الداخلي:

بحلول عام 1893م، تمّ بيع 69 مركبة، بشكل رئيسي في الولايات المتحدة وإنجلترا وفرنسا على وجه الخصوص، بحلول نهاية القرن، كانت شركة (Benz & Cie) قد سلمت بالفعل 1709 عينة من سياراتهم، وارتفع عدد الموظفين إلى أكثر من 430، بزيادة عشرة أضعاف، في نهاية القرن التاسع عشر، كان عدد كبير من المهندسين والمبدعين المبتكرين والمخترعين يجربون تقنيات المحركات ويبنون أول سيارات بخارية وسيارات كهربائية، جنبًا إلى جنب مع المركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي،  في وقت مبكر من عام 1863م، قاد المخترع البلجيكي إيتيان لينوار سيارته “hippomobile” لمسافة تسعة كيلومترات من باريس إلى جوينفيل لو بونت والعودة.

تمّ تشغيله بواسطة محرك الغاز الخاص بـ (Lenoir)، ممّا أكسبه تمييزًا عن السيارة الأولى بمحرك احتراق داخلي، على عكس المحرك البخاري، لم يتم حرق الوقود خارج المحرك وتوجيه الحرارة الناتجة إلى الأسطوانات، وبدلاً من ذلك تمّ توليد الطاقة الحركية عن طريق الاحتراق المتفجر داخل المحرك، محرك الغاز (Lenoir)، الحاصل على براءة اختراع في عام 1959م، كان يُنظر إليه على أنّه البديل الأول للمحرك البخاري الكبير والثقيل، لم يكن هناك حاجة إلى التسخين المسبق لفترة طويلة قبل أن يتم تشغيله، تمّ تزويده بالغاز من قبل الشبكة البلدية.

وتمّ نشر المحرك الهادئ لقيادة المعدات مثل المطابع والأنوال، ومع ذلك فإنّ بنائه يعني أنّه يحتاج إلى نظام تبريد مائي قوي للغاية، وكان لا يمكنه تحويل سوى نسبة صغيرة جدًا من الطاقة الموجودة في الوقود إلى طاقة ميكانيكية، أدرك البائع والمعالم الآلي التقني نيكولاس أوغست أوتو كلاً من إمكانات هذه الآلة وحدودها، في عام 1861م، أمر ببناء نسخة طبق الأصل من محرك لينوار وتثبت أنّه سيعمل بشكل أفضل إذا تمّ تغذيته بالكحول الإيثيلي، في نفس العام أشار إلى استقلالية شبكة الغاز لمحركات الاحتراق الداخلي ورفع من إمكانية النقل الذاتي على الطرق الريفية.

في العام التالي، بدأ في تجربة المحرك رباعي الأشواط، وهو مبدأ تم وصفه نظريًا وحصل على براءة اختراع من قبل المهندس الفرنسي ألفونس بو دي روشاس في نفس العام، بشكل مستقل تمامًا عن أوتو، كانت فكرة أوتو هي ضغط خليط الهواء والغاز إلى أقصى حد ممكن، هذا من شأنه أن يجعل من الممكن تقليل نسبة الغاز وبالتالي الاستهلاك، ومع ذلك، سيُطلب من المكبس التحرك لأعلى ولأسفل مرتين لأداء وحدة عمل واحدة، من الناحية العملية، كان التحكم في محرك الاحتراق لا يزال يسبب لأوتو جميع أنواع المشاكل، وكانت التجارب تتوج بتدمير المحركات، استغرق الأمر اثني عشر عامًا، حتى عام 1876م، لإنتاج أول محرك وظيفي رباعي الأشواط في مصنع محركات الغاز (Deutz AG).

أُسِسَ مبدأ السحب والضغط والاحتراق والعادم الذي وفقًا لأوتو لا يزال كل محرك احتراق داخلي في السيارات أو الدراجات النارية يعمل في الشوط الأول حيثُ يتحرك المكبس لأسفل ويمتص مزيجًا من الهواء والوقود في الأسطوانة من خلال صمام ، وفي الخطوة الثانية، يتحرك المكبس لأعلى لضغط الخليط ويتم تسخينه في هذه العملية، في لحظة الضغط الأقصى، يتم إشعال الخليط بواسطة شرارة من شمعة الإشعال، يدفع الضغط الناتج عن الانفجار المكبس إلى الأسفل بسرعة كبيرة في شوط الاحتراق، وأخيرًا يتحرك المكبس بسرعة مرة أخرى ويطرد الغازات المحترقة من الاسطوانة عبر صمام.

تمّ تجهيز المحرك الداخلي لأول مرة للحماية الجماعية من قبل (Gottlieb Daimler وWilhelm Maybach)، اللذين كانا يعملان لدى شركة (Deutz AG) منذ عام 1872م وقد حقق المحرك نجاحًا كبيرًا وتم بيعه، لكنها كانت لا تزال ثقيلة جدًا للاستخدام المحمول، بعد خلاف مع أوتو، غادر دايملر شركة (Deutz AG) في أواخر عام 1881م وأقام ورشة عمل تجريبية في كانشتادت حيث انضم إليه مايباخ قريبًا، كان هدف شركة (Daimler) هو تطوير محركات احتراق داخلي صغيرة وسريعة التشغيل تكون قادرة على تشغيل المركبات على الأرض والمياه، في وقت مبكر من عام 1883م، قدم طلب براءة اختراع لمحرك رباعي الأشواط أحادي الأسطوانة كان قد طوره بالاشتراك مع مايباخ.

في عام 1885م، قام دايملر ومايباخ ببناء مقدمة للدراجة النارية، والتي أطلقوا عليها اسم “Reitwagen”، أو “آلة الركوب”، في أكتوبر 1886م، قاموا بتركيب محرك في عربة وبالتالي صنعوا أول سيارة بأربع عجلات، في عام 1889م، كشفوا النقاب عن أول مركبة ذاتية الدفع بالكامل، ذات محرك رباعي أو ما تسمّى “السيارة ذات العجلات الفولاذية”، في معرض باريس العالمي بعد أحد عشر عامًا، طوروا سيارة لرجل الأعمال النمساوي إميل جيلينيك، كان جسمها يمثل خروجًا كبيرًا عن مبدأ النقل السابق والذي دفع محركه بسرعة قصوى تبلغ حوالي 90 كم / ساعة.

معلومات عامة عن محرك الاحتراق الداخلي:

محركات الاحتراق الداخلي هي أجهزة تقوم بتوليد الطاقة وهي الأكثر استخدامًا حاليًا، من الأمثلة عليها محركات البنزين ومحركات الديزل ومحركات التوربينات الغازية وأنظمة الدفع الصاروخي، تنقسم محركات الاحتراق الداخلي إلى مجموعتين، محركات الاحتراق المستمر ومحركات الاحتراق المتقطع، يتميز محرك الاحتراق المستمر بالتدفق المستمر للوقود والمؤكسد في المحرك، ويتم الحفاظ على شعلة ثابتة داخل المحرك (على سبيل المثال، المحرك النفاث).

ويتميز محرك الاحتراق المتقطع بالاشتعال الدوري للهواء والوقود ويشار إليه عادةً بالمحرك الترددي، تتم معالجة الأحجام المنفصلة من الهواء والوقود بطريقة دورية، المحركات المكبسية للبنزين ومحركات الديزل هي أمثلة على هذه المجموعة الثانية، لا تشكل الكهرباء محركًا رئيسيًا، فعلى الرغم من أهميتها كشكل من أشكال الطاقة، يجب اشتقاقها من مولد ميكانيكي يعمل بالماء أو البخار أو الاحتراق الداخلي، محرك الاحتراق الداخلي هو المحرك الرئيسي، في محرك الاحتراق الداخلي، يتم حرق الوقود في المحرك، جرّب العديد من الأشخاص استخدام البارود كوسيلة لدفع مكبس في اسطوانة، كانت المشكلة الرئيسية هي العثور على وقود مناسب.

يكتسب محرك الاحتراق الداخلي طاقته من الحرارة المنبعثة أثناء احتراق سوائل العمل غير المتفاعلة، أي خليط الوقود المؤكسد، تحدث هذه العملية داخل المحرك وهي جزء من الدورة الديناميكية الحرارية للجهاز، ينتج العمل المفيد الناتج عن محرك الاحتراق الداخلي (IC) من المنتجات الغازية الساخنة للاحتراق التي تعمل على الأسطح المتحركة للمحرك، مثل وجه المكبس أو شفرة التوربين أو الفوهة، يمكن تحديد محركات الاحتراق الداخلي من حيث سلسلة من الأحداث الديناميكية الحرارية، في محرك الاحتراق المستمر، تحدث الأحداث الديناميكية الحرارية في وقت واحد حيث يتدفق كل من الوقود ومنتجات الاحتراق بشكل ثابت عبر المحرك.

على النقيض من ذلك، في محرك الاحتراق المتقطع، تحدث الأحداث على التوالي وتتكرر في كل دورة كاملة، باستثناء الصواريخ (محركات الصواريخ الصلبة ومحركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل)، تمتص محركات الاحتراق الداخلي الهواء، ثمّ تقوم إمّا بضغط الهواء وإدخال الوقود في الهواء أو إدخال الوقود وضغط خليط الهواء والوقود، بعد ذلك كما هو معتاد في جميع محركات الاحتراق الداخلي، يتم حرق خليط الهواء والوقود، ويتم استخراج العمل من توسع المنتجات الغازية الساخنة للاحتراق، وفي النهاية يتم إطلاق منتجات الاحتراق من خلال نظام العادم.

يعتبر محرك الاحتراق الداخلي الأكثر شيوعًا هو المحرك رباعي الأشواط الذي يعمل بالبنزين والمتجانس الشحنة والاشتعال بالشرارة، هذا بسبب أدائها المتميز كمحرك رئيسي في صناعة النقل البري، تستخدم محركات الإشعال بالشرارة أيضًا في صناعة الطيران؛ ومع ذلك أصبحت التوربينات الغازية للطائرات المحرك الرئيسي في هذا القطاع بسبب تركيز صناعة الطيران على المدى والسرعة وراحة الركاب، يشمل مجال محركات الاحتراق الداخلي أيضًا أجهزة غريبة مثل محركات الاحتراق الأسرع من الصوت (scramjets)، مثل تلك المقترحة للطائرات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت، ومحركات الصواريخ المتطورة مثل تلك المستخدمة في المكوكات الفضائية الأمريكية والمركبات الفضائية الأخرى.

السابق
قصة اختراع طابعة الليزر
التالي
قصة اختراع طائرة الهيلوكبتر