التصنيفات المختلفة لمحركات السيارات. خصائص المحرك ومدى فاعليته هما أول ما يخطر في أذهان هواة المركبات وسباقات السيارات، إلا أن الأمر ليس سيان بالنسبة للمواطن العادي، بل وربما قد يكون هذا الأمر آخر ما يشغل بال الأخير، وهذه مشكلة بحد ذاتها!
فقلب أي سيارة، أي المحرك، هو أعجوبة الهندسة الميكانيكية، ومركز القوة الذي يدفعنا إلى الأمام، ويحوّل الوقود إلى حركة ليجعل عالمنا العصري السريع ممكنًا. لكن قبل أن نفترض أن معدلات القوة، والمسافة المقطوعة هي الخصائص الوحيدة المهمة، يجب أن نأخذ بعين الاعتبار جميع الجوانب لمعرفة المزيد عن المحرك في السيارة. فحسن اختيار المحرك يمكن أن يحدث الفرق في اختيار السيارة المناسبة وتوفير تكاليف الصيانة. لذا مبدأيًا سنتعرف على أنواع المحركات المختلفة الموجودة، كالتالي:
محرك الاحتراق الداخلي《ICE》:
إن محرك الاحتراق الداخلي《ICE》هو النوع الأكثر شيوعًا، بحيث يعمل على تشغيل غالبية السيارات منذ أكثر من قرن. يعمل هذا المحرك على مبدأ إشعال خليط من الوقود والهواء داخل أسطوانة لتوليد غاز عالي الضغط يقوم بدفع المكبس ويولد طاقة ميكانيكية.
بطبيعة الحال تأتي محركات الاحتراق الداخلي بأشكال متعددة، بما في ذلك التصاميم المضمنة، و ذات شكل V، والمسطحة؛ ويمكن أن تعمل على أنواع مختلفة من الوقود مثل البنزين والديزل، والبروبان. كما يمكن أن تختلف أيضاً في عدد الأشواط، إلا أن أكثرها شيوعًا هو المحرك رباعي الأشواط. على الرغم من انتشار استخدامها على نطاق واسع، إلا أن مصنعي محركات الاحتراق الحراري ICE باتوا يتعرضون لحملات انتقاد واسعة، وذلك يعود للتأثيرات التي تحدثها هذه المحركات على البيئة. كون نسبة انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري منها تُعتبر عالية، بالإضافة لعدة ملوثات أخرى، جميعها تساهم في تسريع التغيرات المناخية، وتلوث الهواء بشكل دائم. ومن هنا بدأ يتغير التوجه نحو إيجاد بدائل أكثر استدامة، مثل المحركات الكهربائية والهجينة، والتي بفضل التكنولوجيا المتقدمة الحالية تسارعت عملية تطويرها، وبالتالي زيادة الإقبال عليها. من جانب آخر، أدت التطورات في مجال التكنولوجيا إلى زيادة كفاءة محركات الاحتراق الداخلي وتقليل الانبعاثات الناتجة من احتراق الوقود فيها، مما يجعل السوق الاستهلاكي غير مستعدًا البتة للتخلي عنها بعد. فعملية الاستغناء عن هذه المحركات ليس بالسهولة بما كان. تبقى هذه المحركات جزءًا أساسيًا من صناعة السيارات، فهي تعمل على تشغيل كل شيء بدءًا من السيارات المدمجة إلى الشاحنات الثقيلة، وتستمر في التطور استجابًة للمتطلبات البيئية ومتطلبات الكفاءة المطلوبة.
محركات الديزل:
يُعتبر محرك الديزل، الذي سُمّي على اسم مخترعه رودولف ديزل، أحد أشكال محركات الاحتراق الداخلي التي صنعت لنفسها مكانة خاصة بها في عالم السيارات. على عكس محركات البنزين، التي تستخدم شمعات الإشعال “فتيل” لإشعال خليط الوقود والهواء، تعمل محركات الديزل على مبدأ الاشتعال بالضغط. وهذا يعني أن الهواء يتم ضغطه أولاً في الأسطوانة، مما يرفع درجة حرارته، ثم يتم حقن وقود الديزل في الأسطوانة، حيث يشتعل بسبب ارتفاع درجة حرارة الهواء. تشتهر محركات الديزل بكفاءتها ومتانتها. فهي تميل إلى أن تكون كفاءتها الحرارية أعلى من محركات البنزين، مما يعني أنها تستطيع استخلاص المزيد من الطاقة من كمية وقود أقل. يجعلها هذا مناسبة خصيصًا للمنظومات المخصصة للاستخدامات الشاقة مثل الشاحنات، والحافلات، والآلات الصناعية. مما يجب الإشارة إليه هو أن هذه المحركات على حد السواء واجهت أيضًا انتقادات بسبب تأثيرها على البيئة. فكمية الانبعاثات التي تطلقها من الجسيمات وأكاسيد النيتروجين تتجاوز النسب من نفس كمية الوقود المستهلكة في محركات البنزين. على الرغم من هذه التحديات، تهدف التطورات المستمرة في تكنولوجيا تطوير محركات الديزل إلى تقليل هذه الانبعاثات وتحسين الأداء البيئي للمحرك.
المحرك الهجين:
كما يوحي الإسم، يجمع المحرك الهجين بين محرك احتراق داخلي، أو ICE، ومحرك كهربائي. صُمم هذا النوع من المحركات للاستفادة مما يميز كلا مصدري الطاقة، بهدف تحقيق التوازن بين الأداء، وكفاءة استهلاك الوقود، وتقنين الأثر البيئي السلبي.
يمكن استخدام محرك الاحتراق الداخلي للقيادة بسرعة عالية عند الحاجة إلى المزيد من الطاقة، بينما يمكن للمحرك الكهربائي التعامل مع القيادة بسرعة منخفضة لتوفير طاقة إضافية. هذا بحد ذاته، يمنح السيارة كفاءة أفضل في استهلاك الوقود مقارنًة بالسيارة التقليدية التي تعمل بمحرك الاحتراق الداخلي، حيث يمكن للمحرك الكهربائي أن يتولى القيادة في الحالات التي يكون فيها محرك الاحتراق الداخلي أقل كفاءة في حالة معينة. تقلل المحركات الهجينة أيضاً من الانبعاثات، حيث لا ينتج المحرك الكهربائي أي انبعاثات من العادم. وهذا يجعلها خيارًا أكثر استدامة بيئيًا مقارنًة بالسيارات التقليدية التي تعمل بمحرك الاحتراق الداخلي فقط. يمكن أن تكون المحركات الهجينة أكثر تعقيداً وتكلفة في التصنيع والصيانة. وعلى الرغم من هذه العيوب، فإن المحرك الهجين يمثل خطوة كبيرة إلى الأمام في السعي نحو وسائل نقل أنظف وأكثر كفاءة.
المحرك الكهربائي:
يمثل المحرك الكهربائي، المعروف أيضًا بإسم الموتور الكهربائي، تحولاً كبيراً في تكنولوجيا السيارات. وخلافًا لمحركات الاحتراق الداخلي التقليدية التي تحرق الوقود لتوليد الحركة، تقوم المحركات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية تدفع عجلات السيارة. تشتهر المحركات الكهربائية بجودة أدائها، وملاءمتها للبيئة. فهي تحوّل نسبة مئوية أعلى من الطاقة الكهربائية إلى طاقة محركة، مما يجعلها أكثر كفاءة من نظيراتها التي تعمل بالبنزين. لا ينتج عن المحركات الكهربائية أي انبعاثات من العوادم، مما يساهم في تقليل نسب غازات الاحتباس الحراري التي تُطلق بشكل يومي على البيئة. من المزايا الأخرى للمحركات الكهربائية أيضًا عزم الدوران الفوري. حيث يمكنها توفير أقصى عزم دوران من الثبات، مما يؤدي إلى تسارع مذهل. بالإضافة لكونها تتسم المحركات الكهربائية بالبساطة، حيث تحتوي على عدد أقل من الأجزاء المتحركة، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الصيانة. بالرغم من أنها تأخذ خطواتها الأولى نحو السوق الإستهلاكية، إلا أن المحركات الكهربائية أصبحت ذات أهمية في عالم السيارات، مما يمهد لمستقبل واعد لوسائل النقل الخضراء والمستدامة.
كيف يعمل محرك السيارة؟
عندما نقوم بتشغيل مفتاح السيارة، يعمل المحرك. لكن هل تساءلت يوماً كيف يعمل المحرك؟ تعمل المحركات الحديثة على توليد الطاقة عن طريق الاحتراق الداخلي، أو الانفجارات المتحكم بها. ويتم ذلك عن طريق إشعال خليط الهواء والوقود داخل أسطوانات المحرك. تسمى هذه العملية دورة الاحتراق، وتتكرر العملية آلاف المرات في الدقيقة الواحدة لدفع السيارة. تتكون دورة الاحتراق من أربع أشواط (خطوات)، وتنسب لها تسمية المحركات الحديثة بالمحركات رباعية الأشواط تباعًا لهذه العملية. تشمل الأشواط الأربعة السحب، والضغط، والاحتراق، والعادم. وفيما يلي نستعرض شرح مفصل لكل شوط.
السحب:
في هذا الشوط، يتحرك المكبس لأسفل، وينفتح صمام السحب عبر حركة عمود الكامات، ليُسمح لخليط الهواء والوقود بالدخول إلى غرفة الاحتراق. يفتح الصمام ويغلق بمساعدة عمود الكامات.
الضغط:
كما يوحي الإسم، يتحرك المكبس لأعلى ويضغط خليط الهواء والوقود داخل حجرة الاحتراق في هذا الشوط.
الاحتراق (توليد الطاقة):
تنتج شمعة الإشعال شرارة خلال هذا الشوط وتشعل خليط الهواء والوقود الساخن المضغوط. ويتسبب ذلك في حدوث انفجار صغير، وتدفع الطاقة الناتجة عنه المكبس إلى أسفل لتوليد الطاقة الميكانيكة اللازمة لدفع المركبات.
العادم:
بمجرد تحرك المكبس لأسفل، ينفتح صمام العادم. وعندما يتحرك المكبس لأعلى، يدفع الغازات الناتجة عن الانفجار إلى الخارج عبر صمام العادم. تتكرر الدورة آلاف المرات في الدقيقة الواحدة.
تصنيف المحركات بحسب طريقة ترتيب أسطوانات المحرك:
حينما يتم شراء السيارة سنجد كتيب مرفق به مخططات تصميمية توضح لنا تفصيلًا المحرك الخاص بها باستخدام أبسط المصطلحات. يشير بالعادة الرسم إلى ترتيب وعدد الأسطوانات في المحرك. يوجد لدينا عدة تصميمات معتمدة للمحرك إلا أننا سنستعرض أهمها، هي ثلاثة تصميمات رئيسية:
المحرك ذو التصميم الخطي، والمضمن/التتابعي《Inline & Stright Engine》:
المحرك التتابعي: يعتبر الأكثر استخدامًا. فكما يوحي الإسم، تُوضع الأسطوانات عموديًا في خط متوالي، أي واحدًا تلو الآخر. يمكن وضع هذا النوع من المحركات بشكل متوازي أو عمودي في السيارة بحسب عدد الأسطوانات. المحرك الخطي: عند وضع المحرك بالتوازي مع السيارة، يُعرف تصميم المحرك بأنه مستقيم وعند وضعه بشكل عمودي على السيارة، يكون تصميمًا مضمنًا أو تتابعي. تستخدم المحركات الخطية/المضمنة على نطاق واسع نظرًا لسهولة التصنيع والتركيب، وانخفاض التكاليف التصنيعية. يمكن رؤية المحركات المضمنة في السيارات العائلية مثل هاتشباك نظرًا لبنيتها المدمجة وقدرتها على استيعاب مكونات عديدة أخرى مقارنة بالسيارات الأخرى. من ناحية أخرى، يمكن أن تحتوي المحركات المستقيمة/الخطية على المزيد من الأسطوانات ونتيجة لذلك تتمتع بقوة أكبر.
المحرك المسطح《Flat Engine》:
على عكس المحرك المستقيم/ الخطي، يتم وضع أسطوانات المحرك المسطح أفقيًا. يعرف هذا المحرك أيضًا بإسم محرك الملاكم بسبب حركة المكبس التي تحاكي الملاكمين الذين يثقبون قفازاتهم قبل القتال. محرك الملاكم هو محرك متوازن، ونعني بذلك توازن الاهتزازات المنخفضة بسبب القوة الناتجة عن حركة المكابس. جانب آخر يميز المحرك المسطح هو مركز كتلته المنخفض مسهلًا بهذا عملية القيادة. أيضًا، نظرًا لمساحة السطح الكبيرة، يتم تبريد جميع الأسطوانات بالهواء بالتساوي.
بالمقارنة مع المحركات المستقيمة، فإن المحركات المسطحة باهظة الثمن في التصنيع، وبسبب شكلها الذي يأخذ مساحة أكبر لا يفضلها العديد من مصنعي السيارات. فشركات صناعة السيارات الوحيدة التي تتميز بمحرك الملاكم في تشكيلاتها هي بورش وسوبارو.
محرك بتصميم V:
يُعتبر المحرك على شكل V، والذي أُسمّي بهذا الاسم نظراً لتصميمه الفريد، نوعاً شائعاً من محركات الاحتراق الداخلي حيث تصطف الأسطوانات والمكابس في مستويين أو “ضفتين” منفصلتين، لتشكل تصميماً يشبه حرف V عند النظر إليه من النهاية. يوازن هذا التصميم بين مزايا صغر حجم المحرك المسطح، وقوة المحرك المضمن، بالإضافة لذلك تتميز هذه المحركات بحجمها الصغير بالنسبة لعدد أسطواناتها، مما يجعلها خيارًا مطلوبًا للسيارات الفاخرة عالية الأداء. يوفر تصميم محرك V أيضًا مزايا من حيث السلاسة والتوازن. يتوازن ضفتي الأسطوانات بشكل مرن مع بعضهما البعض، مما يقلل من اهتزاز المحرك، ويُسهل قيادة السيارة. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي تعقيد تصميم المحرك على شكل حرف V إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج، وصيانة أكثر صعوبة. وعلى الرغم من هذه التحديات، يبقى محرك V مرغوبًا بسبب قوته، وصغر حجمه، وسلاسة تشغيله. تتواجد محركات V بعدة أنواع، تختلف بحسب عدد الأسطوانات المستخدمة، والأكثر شيوعًا منها هي محركات V6 و V8، على الرغم من وجود تشكيلات متعددة تمتد من V2 إلى V16.
محرك بتصميم W:
محرك W هو نوع مميز من محركات الاحتراق الداخلي، سمي بهذا الاسم نظرًا لتصميمه الفريد، حيث يتم ترتيب الأسطوانات في ثلاثة بنوك بطريقة تشبه حرف W. يُستخدم هذا التصميم بشكل واسع في المركبات عالية الأداء، حيث يكون الزيادة في عدد الأسطوانات أمرًا مرغوباً فيه، ولكن المساحة المتاحة محدودة. إن أشهر استخدام لمحرك W هو محرك بوجاتي فيرون، الذي يستخدم محرك W16 رباعي الشاحن التوربيني(التوربو). يجمع هذا المحرك بين صغر حجم محرك V وقوة أكبر بكثير مما ينتجه هذا الأخير، مما يجعله مثاليًا لسيارة خارقة عالية الأداء.
تمثل إحدى المزايا الرئيسية لمحرك W في حجمه الصغير مقارنة بعدد الأسطوانات. وهذا يتيح المزيد من القوة في مساحة أصغر، مما يجعله خيارًا مطلوبًا أيضًا للسيارات عالية الأداء والسيارات الفاخرة. يؤدي تعقيد تصميم محرك W عمومًا إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج والصيانة. وعلى الرغم من هذه التحديات، يُعدّ محرك W دليلًا على الروح الابتكارية لهندسة السيارات، حيث يتخطى حدود القدرة الفعالة مقارنة بالحجم.
المحركات الدوارة(وانكل):
يدور دوّار مثلث الشكل داخل حجرة بيضاوية الشكل في المحركات الدوارة التي تسمى أيضاً محركات وانكل. إن صغر الحجم، والقدرة العالية على التسارع، وسلاسة توصيل الطاقة كلها ميزات لهذا التصميم. وعلى الرغم من أنها أقل استخدامًا في السيارات اليومية، إلا أن المحركات الدوارة كثيرًا ما تُستخدم في السيارات الرياضية عالية الأداء.
تصنيف المحركات بحسب عدد الأسطوانات:
دعونا نلقي نظرة على تصنيفات المحرك بحسب عدد أسطوانات المحرك القياسية المستخدمة بشكل شائع.
محرك مزدوج الأسطوانات:
نادرًا ما توجد محركات ذات أسطوانات مزدوجة في السيارات، والسبب هو انخفاض إنتاج الطاقة. ومع ذلك، ستجد هذا التصميم في الكثير من الدراجات النارية، مثل رويال إنفيلد 650 و كاواساكي نينجا 300. في السيارات من جهة أخرى، تاتا نانو الشهيرة لديها محرك أسطوانة مزدوجة تحت غطاء محرك السيارة.
محرك ثلاثي الأسطوانات:
تشتهر المحركات ثلاثية الأسطوانات بصوتها الشبيه بالقرقرة. يحدث هذا بسبب تسلسل إطلاق النار المختلف والاهتزاز الذي ينتج من هذه العملية. ومع ذلك فهي أقوى من المحرك مزدوج الأسطوانات، ومع إدراج الشاحن التربيني (التوربو) الذي أعطى زيادة إنتاج للطاقة مع الحفاظ على الكفاءة. تستخدم محركات ثلاثية الأسطوانات في سيارات الهاتشباك وحتى في سيارات الدفع الرباعي المدمجة مثل ماروتي سوزوكي سيليريو وتاتا نيكسون.
المحرك رباعي الأسطوانات:
هذا التصميم هو الأكثر شيوعًا للسيارات بسبب القوة العالية الذي يُنتجها، وارتفاع الكفاءة. يُمكن العثور على هذا النوع من التصميم في الغالب مع التصميم المضمن جنبًا إلى جنب مع الشاحن التوربيني (التوربو)، مما يرفع من فعالية السيارة بشكل عام. سيارات مثل هوندا سيتي، وماروتي سوزوكي، وسويفت، وهيونداي إلنترا هي أمثلة على السيارات التي تستخدم التصميم رباعي الأسطوانات.
المحرك خماسي الأسطوانات:
تصميم آخر نادرًا ما تلقاه، فبالعادة يُمكن رؤية المحركات ذات خمسة أسطوانات على موديلات لشركات تصنيع السيارات الفاخرة مثل أودي، وفولفو. نظرًا للعدد الفردي للأسطوانات، يصدر التصميم المكون من خمسة أسطوانات صوتًا غريبًا، والذي يعرف بإسم تغريد.
المحرك سداسي الأسطوانات:
يتم استخدام تصميم الأسطوانات الست في معظم السيارات الرياضية، وهي محركات معروفة بصوتها عالي النبرة. يمكن أن يستخدم تكوين الأسطوانات الست تصميمًا مستقيمًا، أو بشكل V بحسب اختلاف نوع السيارة. سيارات السيدان الفاخرة مثل بي ام دبليو 5، ومرسيدس بنز سي كلاس تُستخدم فيها التصميم سداسي الأسطوانات. بشكل رئيسي، يتم إقران المحركات ذات 6 أسطوانات بشاحن توربيني (توربو)، أو شاحن فائق لمنحهم قدرة هائلة.
محرك ثماني الأسطوانات وما فوق:
إذا لم تكن ست أسطوانات كافية، فإن التصميم ثماني الأسطوانات ينقلك إلى فئة السيارات الخارقة. يتم استخدام التصميم ثماني الأسطوانات وما فوق في الغالب في تصميم المحرك V. تحتوي السيارات الخارقة مثل بوجاتي تشيرون على محرك دبليو 16، أي 16 أسطوانة بتصميم دبليو W مثلًا. السيارات ذات هذا التصميم قادرة على الأداء تحت سرعات عالية، ولها عزم دوران هائل. وتختلف أصوات هذه المحركات من هدير إلى صرير عالي النبرة ينبعث من الشاحن الفائق المرفق به.
تصنيف المحركات بحسب طريقة سحب الهواء:
تستخدم بعض المحركات تقنيات طورتها عبر الزمن لإجبار المزيد من الهواء على الدخول وتوليد المزيد من الطاقة. يتيح ذلك للمحركات الأصغر حجمًا توليد طاقة مماثلة للمحركات الأكبر حجمًا مما يزيد من الكفاءة.
المحرك الذي يعمل بالسحب الطبيعي:
وهو محرك احتراق داخلي، ويسمى أيضاً المحرك الذي يستنشق الهواء طبيعيًا أو NA. يعتمد سحب الهواء في هذا النوع من المحركات على الضغط الجوي، ولا يستخدم الحث القسري للهواء في مدخل الهواء إلى المحرك. وبالتالي يُنتج طاقة أقل من محركات الحث القسري للهواء (الشاحن التوربيني/الشاحن الفائق). يُعتبر هذا المحرك بسيط التصميم، إلا أنه أكثر ضمان من محركات حث الهواء القسري.
محرك الشحن التوربيني《Turbocharged》:
يتألف الشاحن التوربيني من عمود مع توربين في أحد طرفيه وضاغط هواء في الطرف الآخر. يتم وضع المكونات في غطاء على شكل حلزون مع منفذ للإدخال، بحيث تدخل غازات العادم المهدرة بضغط عالٍ عبر هذا المنفذ، لتمر عبر التوربين، مما يؤدي لتدوير الضاغط. يمتص ضاغط الهواء المزيد من الهواء الذي يتم ضغطه ويمر عبر منفذ مخرج الهواء، ليتم تغذية الهواء إلى الأسطوانات عبر مبرد داخلي يقوم بتبريد الهواء قبل وصوله إلى الأسطوانات. وبما أن ضغط الهواء أعلى من الضغط الجوي وكمية الأوكسجين أعلى، ينتج المحرك طاقة أكبر. بدأ استخدام التوربينات في السيارات الرياضية كوسيلة لتوليد المزيد من الطاقة، إلا أنها شقّت طريقها مؤخرًا إلى السيارات الأصغر حجمًا لزيادة كفاءتها.
الشحن الفائق《Supercharged》:
تعمل الشواحن الفائقة بطريقة مشابهة للشواحن التوربينية، حيث أنها تقوم بضغط الهواء الداخل إلى المحرك لإحداث انفجار أكبر. الفرق هو أن الشاحن الفائق يعمل بواسطة حزام يأتي من المحرك. وجود الشاحن الفائق أقل شيوعاً بكثير مقارنة بالشاحن التوربيني، ولا يظهر حاليًا إلا في السيارات الفاخرة مثل رينج روڤر.
المصادر:
Types of Car Engines Car Engines Air Intake Methods Automotive Engine
