books fuels and oxidizers

تعتمد جميع محركات الاحتراق الداخلي على احتراق وقود كيميائي في وجود أكسجين من الهواء الجوي (يمكن حقن أكسيد النيتروز أيضاً لرفع كفاءة الاحتراق وزيادة القدرة). يصاحب عملية الاحتراق إنتاج كمية كبيرة من الحرارة بالإضافة إلى البخار وثاني أكسيد الكربون ومواد كيميائية أخرى عند درجات حرارة مرتفعة جداً. تتحدد درجة الحرارة بناءاً على التركيب الكيميائي للوقود المستخدم والمواد المؤكسدة، بالإضافة إلى الانضغاط وعوامل أخرى.

الوقود

تتكون معظم أنواع الوقود الشائعة من الهيدروكربونات وتُشتق من الوقود الحفري (البترول). يشمل الوقود الحفري كل من الديزل والبنزين والغاز النفطي المسال، واستخدام نادر لغاز البروبان. تستطيع معظم محركات الاحتراق الداخلي المصممة لاستخدام البنزين، أن تعمل بواسطة الغاز الطبيعي أو الغازات النفطية المسالة بدون أي تعديلات أساسية، باستثناء المكونات الموصلة للوقود. تستطيع محركات الديزل الكبيرة أن تعمل باستخدام خليط من الهواء والغازات وحقن وقود الديزل للإشعال. يُمكن استخدام الوقود الحيوي السائل والغازي أيضاً، مثل الايثانول والديزل الحيوي (الديزل الحيوي هو نوع من وقود الديزل يُنتج من المحاصيل الزراعية التي تحتوي على دهون ثلاثية مثل زيت فول الصويا). تستطيع المحركات إن أُجري عليها بعض التعديلات أن تستخدم غاز الهيدروجين والغازات الناتجة عن حرق الفحم والخشب، بالإضافة إلى غاز المولدات المصنوع من أنواع مناسبة من الوقود الحيوي. أًجريت تجارب باستخدام مسحوق وقود صلب مثل دورة حقن الماغنيسيوم.

تتضمن أنواع الوقود المستخدمة الآن:

• المشتقات البترولية:
  • البنزين
  • الديزل
  • الغاز النفطي المسال
  • الغاز الطبيعي المضغوط
  • وقود الطائرات
  • زيت الوقود
• الفحم:
  • يمكن صناعة البنزين من كربون الفحم باستخدام عملية فيشر تروبش.
  • يمكن صناعة الديزل من كربون الفحم باستخدام عملية فيشر تروبش.
• الوقود الحيوي والزيوت النباتية:
  • زيت الفول السوداني وزيوت نباتية أخرى.
  • غاز الخشب المنتج من مولد غاز الخشب باستخدام الخشب كوقود صلب.
  • الوقود الحيوي:
    • البوتانول الحيوي (بديلاً للبنزين).
    • الديزل الحيوي (بديلاً للديزل النفطي).
    • ثنائي ميثيل الإيثر (بديلاً للديزل النفطي).
    • الايثانول الحيوي والميثانول الحيوي وأنواع أخرى من الوقود الحيوي (انظر مركبة متعددة الوقود).
    • الغاز الحيوي.
• الهيدروجين (يُستخدم بشكل أساسي لمحركات صواريخ المركبات الفضائية).

استُخدمت المساحيق المعدنية المميعة والمواد المتفجرة أيضاً. يُطلق على المحركات التي تستخدم الغازات كوقود: المحركات الغازية، وتُسمى المحركات المستخدمة للهيدروكربونات السائلة: المحركت النفطية، ومع ذلك، يُطلق أيضاً على محركات البنزين اسم "المحركات الغازية" (يُطلق عليها محركات البترول خارج أمريكا الشمالية).
يجب أن يتوافر في الوقود الشروط التالية:

1. سهولة النقل من نظام الوقود إلى غرفة الاحتراق.
2. إنتاج كمية كافية من الطاقة الحرارية عند الاحتراق، لاستخدام المحرك بشكل عملي.

إن محركات الديزل أثقل عموماً وأكثر ضوضاءاً وأكثر إنتاجاً للقدرة من محركات البنزين عند السرعات المنخفضة. توفر محركات الديزل مزيداً من الوقود أيضاً في معظم الحالات، وتُستخدم في مركبات الطريق الثقيلة وبعض السيارات (يزداد استخدامها في السيارات بسبب كفاءة وقودها المتزايدة عن محركات البنزين) والسفن وقاطرات السكك الحديدية، والطائرات الخفيفة. تُستخدم محركات البنزين في معظم مركبات الطرق الأخرى، ويشمل ذلك معظم السيارات والدراجات النارية والدراجات البخارية. سيطرت سيارات محركات الديزل على 45% من السوق الأوربي منذ التسعينيات. يوجد أيضاً محركات تعمل باستخدام الهيدروجين والميثانول والإيثانول والغاز النفطي المسال والديزل الحيوي والكيروسين وزيت الجرارات المتبخر.

الهيدروجين

قد يستبدل الهيدروجين أخيراً الوقود الأحفوري في محركات الاحتراق الداخلي التقليدية، وربما تأتي خلايا الوقود بحل بديل فينتهي استخدام محركات الاحتراق الداخلي.

توجد طرق متعددة لإنتاج الهيدروجين الحر، لكن هذه الطرق تتطلب تحويل الجزيئات القابلة للاشتعال إلى هيدروجين أو استخدام طاقة كهربية. لا يقدم الهيدروجين حلاً لأيا من أزمات الطاقة، إن لم تتوفر هذه الطاقة الكهربائية من مصدر متجدد ولا تكون مطلوبة للاستخدام في أغراض أخرى. يعتبر تخزين الهيدروجين أحد سلبياته بالنسبة للوقود الكربوني في كثير من الحالات. للهيدروجين السائل كثافة منخفضة جداً (أقل من كثافة الماء بمقدار 14 مرة)، ويتطلب عزل كبير، بينما يتطلب الهيدروجين الغازي خزانات ثقيلة. يحتوي الهيدروجين على طاقة نوعية مرتفعة حتى عند إسالته، لكن كثافة الطاقة الحجمية له مازالت أقل من البنزين بمقدار 5 مرات. تعتبر كثافة الطاقة للهيدروجين مرتفعة عن تلك التي تحتويها البطاريات الكهربائية بالرغم من ذلك، مما يجعله منافس قوي لاستبدال الوقود الأحفوري. يتم إنتاج الهيدروجين حسب الطلب، لكن عملية الإنتاج (انظر خلية وقود البوروهيدريد المباشرة) تتضمن مشاكل من بينها ارتفاع سعر بوروهيدريد الصوديوم، الذي يعتبر المادة الخامة.

المؤكسدات

يُستخدم أكسجين الهواء الجوي كمادة مؤكسده نظراً لتوافر الهواء وعدم الحاجة لتخزينه في المركبة. يؤدي هذا إلى زيادة نسبة القدرة إلى الوزن ونسبة القدرة إلى الحجم. تُستخدم مواد أخرى لأغراض أخرى، تكون في الغالب لزيادة القدرة الناتجة أو للاستخدام تحت الماء أو في الفضاء.

• استُخدم الهواء المضغوط بشكل شائع في الطُربيدات.
• استُخدم أكسجينالمضغوط بالإضافة إلى الهواء المضغوط في طربيد 93 الياباني. تحمل بعض الغواصات أكسجين نقي، وتستخدم الصواريخ دائماً الأكسجين السائل.
• يُضاف النتروميثان إلى بعض أنواع وقود السباقات لزيادة القدرة والتحكم في الاحتراق.
• استُخدم أكسيد النيتروز مع كميات اضافية من البنزين في الطائرات التكتيكية، وفي سيارات مجهزة خصيصا لتسمح بنبضات انفجارية قصيرة من القدرة الاضافية من المحركات التي تعمل على البنزين والهواء.
• كانت طاقة ماء الأكسجين تحت التطوير للاستخدام في الغواصات الألمانية في الحرب العالمية الثانية. ربما استُخدم ماء الأكسجين في بعض الغواصات الغير نووية، واستُخدم في بعض محركات الصواريخ مثل بلاك أرو والطائرة الصاروخية ميسيرشميت إم إي 163 كوميت.
• استُخدمت مواد كيميائية أخرى مثل الكلور والفلور، لكن بشكل تجريبي فقط ولم تصلح للاستخدام العملي.