محركات غريبة عالقة على هوامش التقدّم

محرك فانكل، ومحرك ستيرلنغ، وأنواع مختلفة من وحدات الطاقة التوربينية لم تدخل قط التيار الرئيسي لصناعة السيارات. عملت عليها عدد من الشركات المعروفة — من مازدا إلى جنرال موتورز، ومن مرسيدس إلى فولفو — لعقود من الزمن. كما ثابرت شركات صغيرة ومخترعون أفراد على ذلك أيضاً. ومع ذلك تبيّن أن كل تصميم بديل كان يخفي عيوباً أكثر بكثير مما كان متوقعاً في البداية. لكن هذا لا يعني أن تطوير وحدات الطاقة غير التقليدية أمر مستحيل. فالمتحمسون يواصلون دفع أفكار مختلفة إلى الأمام، وهنا نستكشف بعضاً من أكثر مفاهيم المحركات غرابةً التي بُنيت على الإطلاق.

محركات الدورة المنقسمة: أسطوانتان، شوط قدرة واحد

خلص بعض مصممي المحركات إلى أن المزيج الكلاسيكي من الأسطوانة والمكبس وذراع التوصيل وعمود المرفق قد أثبت جدارته على مدى أكثر من قرن — وأن تحسين محركات الاحتراق الداخلي لا يتطلب سوى تعديل جوانب معينة بدلاً من إعادة الاختراع من الصفر. أول مثال في قائمتنا هو المحرك الذي طوّرته الشركة الأمريكية Scuderi Group، والذي يحتفظ بأشواط السحب والضغط والقدرة والعادم الكلاسيكية — لكنه يوزّعها على أسطوانتين منفصلتين:

• الأسطوانة الباردة (الضاغطة) — تتولى السحب والضغط
• الأسطوانة الساخنة (العاملة) — تتولى شوط القدرة والعادم

بينما يتمدد الغاز في الأسطوانة العاملة، يجري شوط سحب في الأسطوانة الباردة الضاغطة. وعندما تطرد الأسطوانة العاملة العادم، تضغط الأسطوانة الضاغطة. وفي نهاية شوط الضغط، يقترب كلا المكبسين من نقطتيهما الميتتين العلويتين، فينتقل الخليط عبر قناة تحويلية من الأسطوانة الباردة إلى الساخنة ويُشعَل. هذه الدورة المنقسمة — وهي في جوهرها دورة أوتو معدّلة — تم تسجيل براءة اختراعها في عام 2006، وفي عام 2009 بنت Scuderi Group النموذج التجريبي Scuderi Split Cycle Engine.

يمكن أن يكون للأسطوانتين الضاغطة والعاملة أقطار وأشواط مكبس مختلفة، مما يجعل من الممكن ضبط معاملات المحرك بمرونة — فتعمل بمثابة نظير لدورة ميلر مع تمدد إضافي للغاز. وإذا أضفت فرعاً بصمامات وقارورة عالية الضغط إلى القناة الواصلة بين الأسطوانتين، يصبح بإمكان المحرك استعادة الطاقة أثناء الكبح ونشرها أثناء التسارع. ومع ذلك، ولعدد من السنوات، اقتصرت أنشطة Scuderi Group على النماذج الأولية والظهور في المعارض التجارية. فمكاسب الكفاءة في العالم الواقعي لم تُبرّر بعد التعقيد الكبير للتصميم.

كما لجأت الشركة الكرواتية Paut Motor أيضاً إلى دورة العمل المنقسمة. وقد جذب تصميمها المباعد الانتباه لعدة أسباب:

• عدد أقل بكثير من الأجزاء المتحركة مقارنة بالمحركات التقليدية
• خسائر احتكاك أقل
• ضوضاء تشغيل منخفضة
• أبعاد مدمجة: 500×440×440 مم بسعة 7 لترات
• وزن يبلغ نحو 135 كجم — أي ما يقارب نصف وزن محرك تقليدي بالسعة نفسها

إن غياب الزيت في علبة المرفق يستلزم بالفعل خزان تشحيم خارجي، لكن المخترعين اعتبروا ذلك مقايضة مقبولة. وقد بُنيت عدة نماذج أولية، رغم أن قدرة الخرج النهائية لم تُحدَّد رسمياً قط. وجُمّع آخر نموذج أولي في عام 2011، وقد تعثّر المشروع منذ ذلك الحين.

محرك بونر ثنائي الأشواط: أقصى تعقيد، أهداف طموحة

اخترع محرك بونر ثنائي الأشواط (المسمّى تيمناً براعيه، Bonner Motor) عام 2006 في الولايات المتحدة والتر شميد، وهو يدفع التعقيد الميكانيكي إلى أبعد من ذلك. وعلى غرار Paut Motor، تُرتَّب أسطواناته في تكوين على شكل حرف X، ويؤدي عمود المرفق حركة كوكبية عبر منظومة تروس. وتشمل ميزاته الرئيسية:

• صمامات في قيعان الأسطوانات وصمامات بكرية دوّارة في جسم المحرك لتوزيع الغاز
• مكابس خارجية يمكن أن تنزاح قليلاً تحت ضغط الزيت لتوفير نسبة انضغاط متغيّرة
• نسبة قدرة إلى وزن عالية بوصفها الهدف التصميمي الأساسي

من الناحية النظرية، يبدو محرك بونر مقنعاً. لكن من الناحية العملية، لم تظهر أي أخبار ذات شأن من المشروع منذ سنوات — وعلى ما يبدو فإنه لم يحقق التوقعات.

المحركات المحورية: أسطوانات مرتّبة كالمسدس

أبقى مخترعون آخرون على دورات عمل محرك الاحتراق الداخلي سليمةً، لكنهم أعادوا تصوّر التخطيط الفيزيائي لمكوناته. والمحركات المحورية، التي وُجدت لأكثر من قرن، مثال بارز على ذلك. وهي تتباين في التفاصيل لكنها تشترك في مبدأ واحد: تُرتَّب الأسطوانات كالخراطيش في أسطوانة المسدس الدوّارة، محاورةً لعمود الإخراج. وتحوّل آليات مختلفة — مثل المسامير المائلة والحلقات المخروطية — حركة المكابس الترددية إلى دوران للعمود.

ويُعد مشروع Duke Engines من نيوزيلندا أحد الأنواع البارزة: محرك محوري خماسي الأسطوانات رباعي الأشواط بسعة 3 لترات. ومقارنةً بمحرك تقليدي بالسعة نفسها، قدّمت وحدة Duke ما يلي:

• وزن أقل بنسبة 19%
• تجميع أكثر إحكاماً بنسبة 36%
• إمكانية تطبيق متعددة الاستخدامات عبر قطاعات السيارات والبحرية والطيران

قُطعت وعود طموحة بشأن اعتماده على نطاق واسع — لكن أحلام غزو العالم بقيت أحلاماً.

يأخذ محرك RadMax الذي تصنعه الشركة الكندية Reg Technologies المفهوم المحوري إلى أبعد من ذلك. فبدلاً من أسطوانات منفصلة، تتشكّل اثنتا عشرة حجرة داخل أسطوانة مشتركة باستخدام شفرات رقيقة. وتتحرك صفائح مركّبة في فتحات الدوّار على طولها أثناء دوران الدوّار، وتحدد أسطح منحنية عند طرفي الأسطوانة مسارات الشفرات وتتحكم في تبادل الغاز. ومن خصائصه البارزة:

• متوافق مع أنواع وقود متعددة، وإن كان الديزل هو محور التركيز الأولي
• قاس نموذج أولي من عام 2003 ما لا يتجاوز 152 مم في كلٍّ من القطر والطول، ومع ذلك أنتج 42 حصاناً — أكثر بكثير من محرك تقليدي بحجم مكافئ
• بلغت نماذج أولية لاحقة وفقاً للتقارير 127 حصاناً و380 حصاناً

وعلى الرغم من هذه الأرقام الواعدة، يبدو أن جميع أنشطة RadMax لا تزال في المرحلة التجريبية.

المحركات الحلقية (التوروسية): عندما تصبح الأسطوانة كعكة محلاة

يُعد محرك VGT (محرك حلقي متغيّر الهندسة) من الشركة الكندية VGT Technologies المنحلّة الآن دراسة حالة أخرى يتفوق فيها التطبيق النظري على العملي. اختُبر المحرك لأول مرة عام 2005، ويستبدل بالأسطوانة التقليدية حلقةً توروسية — حجرة على شكل كعكة محلاة — يدور داخلها دوّار يحمل زوجاً من المكابس المرفقة.

يدور قرص توزيع رفيع به فتحة للمكابس عبر الحلقة التوروسية بواسطة نقل بالحزام، فيقيّد خليط الوقود والهواء أثناء الضغط وشوط القدرة. وفي عام 2009، طوّر رائدا الأعمال الأمريكيان غاري كيلي وريك إيفاس بشكل مستقل محركاً حلقياً يحاكي عن كثب التصميم الكندي. وأشارت تقديراتهما إلى أن حلقة توروسية بقطر نصف متر ستقدّم ما يلي:

• 230 حصاناً
• عزم دوران يبلغ نحو 1,000 نيوتن·متر
• وكل ذلك عند 1,050 دورة في الدقيقة فقط

أما شركتهما، Garric Engines، فلا تعرض الآن سوى رسالة مقتضبة على موقعها الإلكتروني: “شكراً لاهتمامكم. قد يتم تحديث الصفحة في المستقبل.”

المحرك المترنّح: أقراص دوّارة بدلاً من المكابس

قد ينتظر مصير أكثر إشراقاً قليلاً المحرك المترنّح الذي اخترعه الأمريكي ليونارد ماير عام 2006 — فعلى الأقل بُنيت عدة نسخ عاملة منه. ويُشتق الاسم من اللاتينية nutatio (التمايل أو الترنّح). ويُشكّل تصميم ماير أربع حجرات عمل متغيّرة الحجم بين جسم المحرك وقرص يترنّح (يتمايل) من جانب إلى آخر، فيعمل بمثابة المكبس. ويُشقّ القرص نصفين على طول قطره ويُركّب على عمود إخراج على شكل حرف Z، مع قنوات وصمامات في الجسم تدير تبادل الغاز.

بُنيت نماذج أولية بواسطة Baker Engineering وشركتها الشقيقة Kinetic BEI، بنتائج مبهرة:

• قرص مفرد بقطر 102 مم: 7 أحصنة
• قرصان مزدوجان بقطر 203 مم: 120 حصاناً
• أبعاد المحرك ذي القرصين: طول 500 مم، قطر 300 مم، سعة 3.8 لتر
• نسبة القدرة إلى الوزن: 2.5–3 حصان/كجم مقابل 1–2 حصان/كجم للمحركات المنتجة بكميات كبيرة ذات السحب الطبيعي

الخرج النوعي لكل لتر أقل إبهاراً، لكن كثافة القدرة جديرة بالملاحظة. ويبدو أن Baker وKinetic تعملان على تحسين التصميم، وإن كان النشاط على موقعيهما الإلكترونيين لا يزال محدوداً.

LiquidPiston: محرك فانكل مقلوباً من الداخل إلى الخارج

لا تزال مفاهيم المحركات الدوّارة تأسر المبتكرين، وكأن الابتعاد عن ترتيب المكبس والأسطوانة المألوف يَعِد بطبيعته بأداء أفضل. فقد طوّر نيكولاي شكولنيك، وهو مهندس سوفيتي سابق انتقل إلى الولايات المتحدة، وابنه ألكسندر محركاً يشبه محرك فانكل مقلوباً من الداخل إلى الخارج. يدور دوّار على شكل حبة الفول داخل حجرة مثلثة — وهي الهندسة الأساسية نفسها لمحرك فانكل — لكن، وهذا هو الأهم، تُثبَّت موانع التسرب على جدران الحجرة بدلاً من الدوّار.

أسّس آل شكولنيك شركة LiquidPiston لتطوير المفهوم، فاجتذبوا تمويلاً مشتركاً من DARPA لاستخدام محتمل في:

• الطائرات الخفيفة والطائرات المسيّرة
• مولّدات الطاقة المحمولة
• مجموعات نقل الحركة للمركبات الهجينة

يحقق نموذج أولي بسعة 23 سم³ بالفعل كفاءة حرارية تبلغ 20% — وهو أمر مبهر لتلك الفئة من السعة. ويستهدف الفريق الآن نموذجاً أولياً يعمل بالديزل يزن نحو 13 كجم وينتج 40 حصاناً، مع توقع ارتفاع الكفاءة الحرارية إلى 45%.

محرك المكبس المتأرجح: نحو الشكل المربّع

يثبت آخر محرك في مراجعتنا أن جاذبية الوحدة المسطّحة المدمجة حقيقية — وأن الدوّارات ليست المسار الوحيد لتحقيقها. فمحرك المكبس المتأرجح من Pivotal Engineering ببساطة يجعل المكبس التقليدي مربّعاً، مما يجعل الأسطوانة مستطيلة في المنظر العلوي. وقد وُجد هذا التصميم ثنائي الأشواط منذ عدة سنوات، شغّل خلالها عدد من النماذج الأولية كلاً من الدراجات النارية والطائرات.

تستهدف الشركة في المقام الأول تطبيقات الطيران، ويوفّر التصميم بعض المزايا الحقيقية:

• نسب عالية بين الخرج والوزن وبين الخرج والحجم
• إمكانية ممتازة للحقن القسري، يتيحها مجرى تبريد سائل يمر عبر المحور الثابت للمكبس — وهو إنجاز صعب في معماريات المحركات التقليدية
• شكل مسطّح، إذ يمكن جعل الدوّار المربّع رفيعاً جداً

مفاهيم محركات غريبة أخرى تستحق المعرفة

هناك العديد من تصاميم المحركات الغريبة الرائعة بخلاف تلك التي تناولناها هنا. وفيما يلي بعض الإشارات المستحقّة للتنويه:

• محرك فانكل ذو الاثني عشر دوّاراً — أخذُ مفهوم مازدا الدوّار إلى أقصى حد
• محرك نايت ذو الصمام الكُمّي — تصميم عمره قرن نافس لفترة وجيزة الصمام القرصي
• محركات المكابس المتقابلة — مكبسان يتشاركان أسطوانة واحدة، دون رأس أسطوانة
• محركات نسبة الانضغاط المتغيّرة — تتيح ضبط الانضغاط في الوقت الفعلي لتحسين الكفاءة عبر ظروف الحِمل المختلفة
• المحركات خماسية الأشواط — بإضافة أسطوانة تمدّد مخصّصة لاستخلاص مزيد من الشغل من غازات الاحتراق
• المحركات ذات الشفرات الدوّارة — حيث تتحرك مكونات الدوّار كشفرات مقص متقاربة ومتباعدة

لماذا لا تصل المحركات البديلة إلى الإنتاج الضخم؟

حتى مسحٌ موجز لتصاميم محركات الاحتراق الداخلي غير التقليدية يكشف نمطاً لافتاً: عشرات الأفكار البارعة، وقلة قليلة جداً من المركبات الإنتاجية. والعقبات المتكررة ثابتة:

• تآكل موانع التسرب — كثيراً ما تفشل التصاميم الدوّارة بسبب تدهور موانع التسرب القمّية بمرور الوقت
• الأحمال الميكانيكية المتناوبة — تعاني المفاهيم ذات الشفرات الدوّارة من الكلال عند وصلة الشفرة بالعمود
• تعقيد التصنيع — الأشكال الهندسية الغريبة باهظة الثمن ويصعب إنتاجها على نطاق واسع
• الموثوقية وطول العمر — نادراً ما تضاهي المحركات غير التقليدية سجل المتانة الذي تتمتع به المحركات المكبسية التقليدية المصقولة على مدى أكثر من 100 عام

السبب الثاني الذي يجعل المحركات البديلة تكافح هو أن تقنية محركات الاحتراق الداخلي التقليدية لم تقف ساكنة. فأحدث محركات البنزين التي تستخدم دورة ميلر تحقق كفاءة حرارية تصل إلى 40% حتى من دون شحن توربيني — وهو رقم لافت، بالنظر إلى أن معظم محركات البنزين لا تتجاوز سوى 20–30%، ومحركات الديزل 30–40% (مع وصول محركات الديزل البحرية الكبيرة إلى ما يصل إلى 50%).

والأهم من ذلك أن البديل العالمي لمحرك الاحتراق الداخلي قد وصل بالفعل: المحركات الكهربائية ووحدات الطاقة بخلايا الوقود. وإذا لم يحل المخترعون وراء هذه الطرائف الغريبة تحدياتهم التقنية في وقت قريب جداً، فقد يجدون أنه لم يعد هناك سوق ينتظرهم — إذ ستكون المركبات الكهربائية قد استحوذت على الطريق بالفعل.

هذه ترجمة. يمكنك قراءة النص الأصلي هنا: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html