محرك غازي

كان هناك العديد من التجارب المتعلقة بالمحرك الغازي في القرن التاسع عشر، لكن أول محرك احتراق داخلي عملي يعمل بالغاز صُنع بواسطة إتيان لينوار في عام 1860.[2] عاني محرك لينوار من القدرة المنخفضة والاستهلاك المرتفع للوقود. 

استُكمل عمل لينوار وحُسِنَ بواسطة المهندس الألماني نيكولاس أوجست أوتو، الذي اخترع لاحقاَ أول محرك رباعي الأشواط يحرق الوقود بكفاءة في غرفة مكبسية. تقابل أوتو مع يوجين لانجين في أغسطس 1864، الذي لاحظ نتيجة خبرته الفنية إمكانية تطوير أعمال أوتو لشئ في المستقبل، وبعد مرور شهر على هذا الاجتماع، أسس أول مصنع محركات في العالم في كولونيا، وأسماه إن ايه أوتو وسي أي إي.

سجل أوتو براءة اختراع تصميمه المطور في عام 1867، ومُنِحَ الجائزة الكبرى في معرض باريس العالمي في نفس العام. كان محرك الضغط الجوي هذا يعمل بسحب خليط من الغاز والهواء إلى داخل أسطوانة رأسية، وعندما يرتفع المكبس لمسافة 8 بوصة تقريباً يُشعل خليط الغاز والهواء بواسطة شعلة صغيرة تحترق في الخارج، فتدفع المكبس (الذي يكون متصل بجريدة مسننة) إلى أعلى محدثة بذلك ضغط فراغ جزئي أسفله. لا يُبذل أي شغل فيشوط صعود المكبس. يُبذل الشغل حين يهبط المكبس والجريدة المسننة تحت تأثير الضغط الجوي ووزنهما، فيديران عمود الدوران الرئيسي والحدافات أثناء هبوطهما.

تميز هذا المحرك عن المحرك البخاري الموجود أنذاك، بإمكانية تشغيله وغلقه عند الحاجة، مما جعله مناسب جداً للعمل المتقطع مثل تحميل وتفريغ البوارج.[3]

استُبدل محرك الضغط الجوي الغازي بمحرك أوتو رباعي الأشواط. كان التحول إلى المحركات رباعية الأشواط سريعاً بشكل ملحوظ، مع صناعة آخر محركات الضغط الجوي في عام 1877. ظهرت بعد ذلك محركات الوقود السائل واستخدمت الديزل (في عام 1898 تقريباً) أو البنزين (في عام 1900 تقريباً).

تُعتبر شركة كروسلي في مانشستر أشهر صانع للمحركات الغازية في المملكة المتحدة. حصلت الشركة على حقوق براءات اختراع أوتو ولانجين لمحرك الضغط الجوي الغازي الجديد في المملكة المتحدة والعالم (ماعدا ألمانيا) في عام 1869.
حصلت الشركة أيضاً على حقوق محرك أوتو رباعي الأشواط الأكثر كفاءة في عام 1876.

كان هناك شركات أخرى في منطقة مانشستر. باعت شركة ريتشارد تانجي المتحدة في سميثويك بالقرب من برمنجهام، أول محرك غازي لها ثنائي الشوط وقدرته 1 حصان في عام 1881. بدأت الشركة تصنيع محرك غازي رباعي الأشواط في عام 1890.[4]

يضم متحف محرك أنسون في بوينتون،  بالقرب من ستوكبورت في إنجلترا، مجموعة من المحركات تشمل عدة محركات غازية تعمل، من ضمنها أكبر محرك ضغط جوي صنعته كروسلي.

تكون التطبيقات النموذجية أنظمة حمل أساسي أو أنظمة توليد طاقة تعمل لساعات طويلة، وتشمل التوليد المشترك للحرارة والطاقة (حيث قد تُستخدم الحرارة المفقودة من المحرك لتدفئة المهضمات (حاويات تحتوي على مواد يتم معالجتها وتحليلها إلى مواد أخرى بالحرارة)).[6] نادراً ما تُستخدم المحركات الغازية للتطبيقات الاحتياطية،[7] بينما تُستخدم محركات الديزل لذلك.
أحد الاستثناءات هو مولد الطوارئ الصغير (قدرته أقل من 150 كيلو وات) الذي تستخدمه دائماً المزارع والمتاحف والشركات الصغيرة والمساكن. تكون هذه المولدات متصلة بمصدرغاز طبيعي من المرافق العامة أو غاز البروبان من خزانات، ويُمكن ضبط المولدات بحيث تعمل عقب انقطاع الطاقة.[8]

يتزايد وجود محركات الغاز الطبيعي (الغاز الطبيعي المسال) في الاستخدامات البحرية، حيث يتوافق المحرك ذو الاحتراق النظيف مع شروط الانبعاث الجديدة بدون أي معالجة إضافية للوقود أو أنظمة تنظيف للعادم. يتزايد أيضاً استخدام المحركات التي تعمل على الغاز الطبيعي المضغوط في قطاع الحافلات، ومن ضمن المستخدمين في المملكة المتحدة حافلات ريدينج.
يدعم تحالف الحافلة الغازية[9] استخدام الحافلات الغازية، ومن ضمن الصانعين سكانيا ايه بي.[10]

تتراوح الكفاءة الحرارية للمحركات التي تعمل بالغاز الطبيعي بين 35-45% (بناءاً على القيمة الحرارية المنخفضة)،[11] ويمكن أن تحقق أفضل المحركات كفاءة أعلى قليلاً من 48% (بناءاً على القيمة الحرارية المنخفضة).

تكون هذه المحركات عادة محركات متوسطة السرعة مثل محركات بيرجرين، وتظهر بعض طاقة الوقود على شكل طاقة ميكانيكية ناتجة على عمود الدوران، بينما تُعتبر الطاقة المتبقية طاقة ضائعة.

تكون المحركات الكبيرة أكثر كفاءة من المحركات الصغيرة. تكون كفاءة المحركات الغازية التي تعمل على الغاز الحيوي أقل قليلاً (بمقدار 1-2% تقريباً)، كما يقللغاز الاصطناع الكفاءة أيضاً.

يُعتبر محرك جيه 624  محرك شركة جي إي جينباتشر الحالي، أول محرك غازي ذو 24 أسطوانة في العالم مرتفع الكفاءة ويعمل بالميثان.[12]

عند اعتبار الكفاءة الحرارية للمحرك، يجب الأخذ في الاعتبار إن كانت معتمدة على القيمة الحرارية المنخفضة أم القيمة الحرارية المرتفعة للغاز. يذكر مصنعي المحركات الكفاءات عادة اعتماداً على القيمة الحرارية المنخفضة للغاز، وتُعرف الكفاءة حينها بأنها الكفاءة بعد خصم الطاقة اللازمة لتبخير بخار الماء الموجود في الغاز.

تستخدم شبكات توزيع الغاز القيمة الحرارية المرتفعة للغاز (طاقة الغاز كاملة). يُمكن القول أن كفاءة محرك محسوبة بناءاً على القيمة الحرارية العليا للغاز، تساوي 44%، بينما كفاءة نفس المحرك المحسوبة بناءاً على القيمة الحرارية السفلى للغاز تساوي 39.6%.

من المهم أيضاً التأكد بأن مقارنات الكفاءة تكون على أسس متشابهة، على سبيل المثال، يستخدم بعض الصانعين مضخات مُدارة ميكانيكياً بينما يستخدم آخرون مضخات مشغلة بالكهرباء لضخ مياه تبريد المحرك، وقد يُهمل أحياناً الاستخدام الكهربائي فتظهر الكفاءة مرتفعة مقارنة بالمحركات ذات المضخات المشغلة ميكانيكياً.

يُمكن استخدام الحرارة المطرودة من المحرك في تدفئة المباني أو عمليات التسخين. تنتج نصفالحرارة المفقودة من المحرك (من غلاف المحرك ومبرد الزيت ودوائر المبرد اللاحق) كمياه ساخنة تصل درجة حرارتها إلى 110 درجة مئوية، بينما تنتجالحرارة الباقية كحرارة ذات درجة حرارة مرتفعة، يُمكن أن تولد مياه ساخنة مضغوطة أوبخار ماء باستخدام مبادل حراري لغاز العادم.

المحرك المبرد بالهواء والمحرك المبرد بالمياه هما النوعان الأكثر شيوعاً بين المحركات. تستخدم محركات الاحتراق الداخلي المبردة بالمياه هذه الأيام مانع تجمد. تحتوي بعض المحركات (سواء مبردة بالهواء أو المياه) على مبرد زيت. يلزم تبريد المحرك لإزالة الحرارة الزائدة، حيث قد تؤديالحرارة الزائدة إلى تعطل المحرك بسبب تمزق بعض الأجزاء أو تصدعها.

تظهر المعادلة التالية كمية الغاز المطلوبة للمحرك الغازي عند عمله على الحمل الكامل في الظروف العادية.

${\displaystyle Q={\frac {P}{\eta }}\cdot {\frac {1}{LHV_{gas}}}}$

حيث:

• ${\displaystyle Q}$ : كمية الغاز المتدفقة في الظروف العادية.
• ${\displaystyle {P}}$ : قدرة المحرك.
• ${\displaystyle {\eta }}$ : الكفاءة الميكانيكية.
• LHV: القيمة الحرارية المنخفضة للغاز (بالإنجليزية: Lower Heating value)‏.