لماذا تعمل السيارات بالبنزين، والشاحنات بالديزل، والطائرات بالكيروسين، والسفن بزيت الوقود الثقيل؟
باختصار: إذا كان هناك وقود معين يلبي الاحتياجات التشغيلية لوسيلة نقل معينة على أفضل وجه، فهو الوقود الأكثر ملاءمة لتلك المركبة.
هل يبدو هذا مربكا بعض الشيء؟ اسمحوا لي أن كسرها بالنسبة لك.
1
البنزين والسيارات
البنزين جزء بترولي خفيف نسبيًا؛ فهي ذات كثافة منخفضة، وقيمة حرارية منخفضة، ودرجة تقلب عالية. فهو يحترق بسرعة كبيرة مقارنة بالزيوت الثقيلة-فكر في الفرق بين إشعال البارود وإشعال نار المخيم.
صورة
محرك البنزين
أما بالنسبة للمحركات نفسها: فمقارنة بتلك الموجودة في السفن (السفن السياحية أو السفن الحربية) أو الطائرات (الطائرات أو الطائرات المقاتلة)، فإن المواصفات الفنية المطلوبة لمحركات السيارات متواضعة تمامًا. ومع ذلك، تتطلب السيارات تسارعًا سريعًا وأحجام محركات مدمجة. على سبيل المثال، غالبًا ما تتسارع السيارات الرياضية-عالية الأداء من 0 إلى 100 كم/ساعة في أقل من خمس ثوانٍ. وبالتالي، يحتاج المحرك إلى الاستجابة بسرعة، مما يجعل البنزين-بخصائص الاحتراق "المتفجرة"-مناسبًا مثاليًا للسيارات.
2
الكيروسين والطائرات
يتم تكرير كيروسين الطيران من خلال عمليات متعددة من مواد مثل النافتا والزيوت البارافينية. بالمقارنة بالبنزين-الذي يتم تقطيره مبكرًا في عملية التكرير-فإن الكيروسين أكثر استقرارًا؛ فهو يتميز بكثافة منخفضة وقيمة حرارية عالية وتقلب منخفض. ومع ذلك، في بيئة الاحتراق الفريدة للمحرك التوربيني، فإنه يحترق بنفس سرعة احتراق البنزين.
صورة
محرك شعاعي بخمسة أسطوانات
صورة
محرك توربيني
هناك أنواع عديدة من الطائرات. استخدمت معظم طائرات عصر الحرب العالمية الثانية-محركات احتراق داخلي شعاعية-وهي في الأساس محركات ترددية-والتي تعمل غالبًا بالبنزين. بدأت المحركات التوربينية الحديثة في الظهور على الطائرات فقط (بدءًا بالطائرات المقاتلة) في نهاية الحرب العالمية الثانية، مما يمثل قفزة هائلة في الأداء.
البنزين غير آمن للطائرات لأنه يتبخر بسهولة على ارتفاعات عالية (مما يعني أن ضربة من نيران العدو يمكن أن تسبب انفجارا). يتم استخدام الكيروسين، الذي يقدم أداءً فائقًا، بدلاً من ذلك (التعامل مع سرعات دوران تزيد عن 10000 دورة في الدقيقة). هناك ميزة أخرى يتمتع بها الكيروسين مقارنة بالبنزين وهي أنه أقل عرضة لتراكم الكربون-وهو عامل حاسم في-محركات الطائرات عالية الدقة.
لماذا لا تستخدم الديزل؟ الأمر بسيط: فهو يحترق ببطء شديد (خاصة في درجات الحرارة الباردة على ارتفاعات عالية)، الأمر الذي من شأنه أن يؤثر بشكل كبير على قدرة الطائرة على المناورة. 3
الديزل والشاحنات
إذا تم وصف البنزين بأنه "متطاير" والكيروسين بأنه "حيوي"، فمن الأفضل وصف شخصية الديزل بأنها "ثابتة". يتوفر في نوعين: الديزل الخفيف (للسيارات والشاحنات) والديزل الثقيل (للآلات الثقيلة والسفن الصغيرة-إلى-المتوسطة). بالمقارنة مع النسخة الخفيفة، فإن الديزل الثقيل أكثر كثافة، وله قيمة حرارية أعلى ونقطة اشتعال، وأكثر لزوجة.
بسبب خصائصه المستقرة وخصائص الاشتعال، يمكن للديزل أن يخضع للاشتعال بالضغط دون التعرض لخطر الانفجار غير المنضبط (الطرق). وهذا يسمح بتصميم غرف احتراق كبيرة-وهو أمر لا يمكن تحقيقه مع محركات البنزين.
صورة
محرك ديزل كبير
بالنسبة لبعض السفن والآلات الصناعية الثقيلة، تكون الأولوية للتعامل مع الأحمال الثقيلة بدلاً من التسارع السريع؛ وبدلاً من ذلك، يلزم توفر طاقة عالية-والأهم من ذلك-عزم الدوران العالي. إن القيمة الحرارية العالية للديزل، بالإضافة إلى نسبة الضغط العالية لمحركات الديزل، تسمح باستخدام الطاقة بكفاءة. على الرغم من أنها لا تصل إلى عدد دورات مرتفع في الدقيقة، إلا أنها توفر قوة هائلة لا يمكن لمحركات البنزين أن تطابقها.
صورة
محرك ديزل خفيف
بالنسبة للشاحنات وبعض مركبات الركاب التي تستخدم وقود الديزل الخفيف، فإن عدم الحاجة إلى التسارع السريع يتيح لمزايا محركات الديزل الخفيفة-مثل البناء البسيط والموثوقية العالية والاستهلاك المنخفض للوقود-التألق مقارنة بمحركات البنزين. بالإضافة إلى ذلك، في حين أن محركات الديزل تتراكم رواسب الكربون، إلا أنها غير حساسة نسبيًا للآثار السلبية لهذا التراكم؛ ومحركات الديزل-للخدمة الشاقة، على وجه الخصوص، بالكاد تتأثر بها.
4
السفن وزيت الوقود الثقيل
زيت الوقود الثقيل هو البقايا اللزجة التي تُترك بعد تقطير معظم المكونات الخفيفة من النفط الخام. إنه كثيف وغني بالطاقة-وغني بالطاقة-ويمكن لزجاجة صغيرة أن تحترق لأكثر من ساعة-على الرغم من أن عدم كفاية الأكسجين يؤدي إلى تصاعد الدخان الأسود (المكون من جزيئات الكربون الناتجة عن الاحتراق غير الكامل).
صورة
التوربينات البخارية
في الماضي، لم يكن من الممكن استخدام هذا النوع من الزيت في محركات الاحتراق الداخلي لأنه كان من المستحيل حقنه بشكل فعال؛ وبدلاً من ذلك، تم حرقه مباشرة في الغلايات لتوليد البخار اللازم لقيادة التوربينات. ومع ذلك، ومع نضوج التكنولوجيا، يمكن الآن استخدام زيت الوقود الثقيل في محركات الديزل الضخمة-الموجودة في السفن التجارية. تعمل هذه المحركات بسرعات منخفضة-تزيد بالكاد عن 100 دورة في الدقيقة-ولكن نظرًا لأن السرعات المنخفضة تؤدي إلى كفاءة أعلى، فهي أكثر كفاءة بكثير من المحركات المستخدمة في السيارات. والأهم من ذلك، أن زيت الوقود الثقيل غير مكلف للغاية-ومن الجدير بالذكر أن استهلاك وقود السفن يتم قياسه بالأطنان. ومع ذلك، فإن المحركات التي تحرق زيت الوقود الثقيل تكون استجابتها ضعيفة؛ وبالتالي، يجب على السفن التحول إلى محركات الديزل عند دخول الميناء للتعامل مع التسارع والتباطؤ المتكرر وتغييرات المسار المطلوبة.
