من البنز إلى أوتو: قرن مثير بالمصائر لمحرك الاحتراق الداخلي

رحلة الهندسة الممتدة لمئة عام لمحرك الاحتراق الداخلي، من المحرك رباعي الأشواط الذي ابتكره Nikolaus Otto إلى Patent-Motorwagen الذي صنعته Benz.
رحلة الهندسة الممتدة لمئة عام لمحرك الاحتراق الداخلي، من المحرك رباعي الأشواط الذي ابتكره Nikolaus Otto إلى Patent-Motorwagen الذي صنعته Benz.

شارك هذه الصفحة

يبدأ تاريخ محرك الاحتراق الداخلي فعليًا عام 1876 مع محرك الدورة الرباعية الانضغاطي لنيكولاوس أوتو؛ ثم حوّله كارل بنز عام 1886 إلى سيارة مع Patent-Motorwagen، وكانت المئة عام التي تلتها سباقًا هندسيًا استمر عبر معمارية الأسطوانات وأزمات الكفاءة والمسارات الجانبية كالتيربو والديزل. يتتبع هذا المقال تلك المئة السنة بسرد زمني مستند إلى مصادر أرشيفية.

أبرز النقاط

  • حصل ألفونس بو دي روشا على براءة اختراع الدورة الرباعية عام 1862؛ وبنى أوتو أول محرك عملي عام 1876.
  • أول براءة اختراع لسيارة: 29 يناير 1886، Benz Patent-Motorwagen، رقم البراءة 37435.
  • بعد إلغاء براءة أوتو، كان أكثر من 50 شركة تنتج التصميم نفسه عام 1889.
  • تراجعت حصة الديزل السوقية في أوروبا من %52 عام 2015 إلى %18 عام 2023.
  • كان BMW 2002 Turbo أول سيارة تيربو بإنتاج متسلسل في أوروبا، قبل Porsche 911 Turbo بعامين.

من لينوار إلى أوتو: لماذا كان المحرك الرباعي الأشواط ثورة؟

نقطة انطلاق السرد ليست أوتو في الواقع، بل أفضل حل سبقه. في عام 1860، أنتج إتيان لينوار محرك احتراق داخلي مزدوج الفعل يعمل بغاز الإضاءة؛ لكن الآلة كانت كبيرة وغير فعالة في آن واحد: فمن حجم 18 لترًا لم يُستخلص سوى 2 حصان (نحو 1.5 كيلوواط) ، وكان ثلاثة أرباع الوقود يضيع سدى. تعرّف نيكولاوس أوتو، الذي كان بائعًا متجولًا، على هذا المحرك عبر إعلان في صحيفة، واختبر نسخة منه عام 1861. ما علّمه له الاختبار كان بسيطًا لكنه حاسم: ضغط خليط الوقود قبل الاحتراق هو مفتاح الكفاءة. فشلت أول محاولته الانضغاطية عام 1862 لأن المحرك تحطّم خلال دقائق؛ لكن الفكرة كانت صحيحة.

وهنا بالضبط تجري أكثر حوادث براءات الاختراع سخرية في تاريخ صناعة السيارات. براءة الدورة الرباعية - السحب والانضغاط والقدرة والعادم؛ أربعة أشواط للمكبس خلال دورتين للمحرك - كان قد حصل عليها المهندس الفرنسي ألفونس بو دي روشا عام 1862، لكنه لم يبنِ الآلة أبدًا. ولأن أوتو هو من بنى المحرك أولًا، تحمل الدورة اليوم اسمه. مضى أوتو في الطريق خطوة بخطوة، هو وابنه ومن خلال NA Otto & Cie ، أول شركة محركات احتراق داخلي في العالم أسسها مع أويغن لانغن عام 1864: في معرض باريس العالمي 1867 فاز محركه الجوي بالميدالية الذهبية؛ فهذه الآلة كانت تستهلك أقل من نصف ما تستهلكه محركات الغاز المنافسة، وتنتج كفاءة 12% و 0.5 حصان. انتقلت الشركة إلى دويتس عام 1869 واتخذت اسم Gasmotoren-Fabrik Deutz - وهي اليوم Deutz AG، أقدم مصنّع محركات في العالم.

وجاءت القفزة الكبرى بعد 14 عامًا من البحث والتطوير: في 9 مايو 1876 ابتكر أوتو المحرك الرباعي الأشواط العامل بمبدأ الحمل المنضغط. وبهذا التصميم الذي جعل الاحتراف محكومة عبر ما سماه الحمل الطبقي، بلغ المحرك Rings-Schumm في الخريف نفسه نضجًا تجاريًا، وأصبح أول آلة ناجحة تجاريًا تستخدم الانضغاط داخل الأسطوانة. وبفضل موثوقيته وكفاءته وعمله الهادئ نسبيًا، تم تصنيع أكثر من 30,000 محرك أوتو خلال العشر سنوات التالية. والقفزة التقنية التي يكشفها هذا الرقم واضحة: فالانتقال إلى الضغط رفع الكفاءة بين عامي 1880 و1890 من %5 إلى %15 ؛ وهو تحسن بثلاثة أضعاف مقارنة بمحركات عصر البخار التي كانت كفاءتها أقل من %5. دورة الأشواط الأربعة ذات الإشعال بالشرارة لا تزال تعمل حتى اليوم في معظم السيارات على الطرق.

وكانت النهاية القانونية للقصة موعظة أيضًا. في عام 1886 أُلغيت براءة اختراع أوتو بعد ظهور براءة اختراع أقدم لبو دي روشا؛ ولم تستطع شركة دويتس إثباتها للمحكمة أن نظام الحمل الطبقي الخاص بها يختلف عن البراءة الفرنسية. وكانت النتيجة مُحررة من الناحية الهندسية: فبحلول عام 1889 كان ما يزيد على 50 شركة تنتج محركات بتصميم أوتو. وهذا التوتر الكلاسيكي بين الاختراع العملي وأسبقية البراءة فتح الباب أمام صناعة العصر بأكملها. وما زال أحد جانبي هذا الجدل حيًا حتى الآن: ففي فرنسا تُسمى الدورة أحيانًا "دورة بو دي روشا"، ويشير بعضهم أيضًا إلى حص رايتمان - فمساهمة المخترعين الثلاثة ليست بديلة عن بعضها بل متكاملة.

الطريق إلى السيارة: دايملر ومايباخ وباتنت-موتورفاغن لبنز

أراد أوتو محركات كبيرة وثابتة؛ أما مديره الفني في دويتس غوتليب دايملر ومصممه الرئيسي فيلهلم مايباخ فهذفا إلى جعل المحرك متنقلًا، أي تصغيره بحيث يمكن تركيبه في المركبات. وقد أدى هذا الاختلاف في فلسفة الإنتاج إلى انفصال الثنائي عن الشركة في عام 1882. وجاءت ثمرة الانفصال سريعًا: في عام 1883 محرك صغير وكفء بقوة 0,5 حصان، وفي عام 1885 أول محرك بنزين عالي الدورات كان لقبه "ساعة الجد". وكانت دايملر رايتفاغن المبنية حول هذا المحرك أول مركبة آلية بمحرك احتراق داخلي.

أما شهادة ميلاد السيارة فصُدرت في مانهايم لا في كولونيا. ودخل كارل بنز التاريخ ببراءة الاختراع رقم 37435 التي تقدم بها في 29 يناير 1886 عن "مركبة بمحرك غازي". وفريق بنز باتنت-موتورفاغن المكتمل في عام 1885؛ كان مركبة ثلاثية العجلات خفيفة البناء تعمل بمحرك بنزين أحادي الأسطوانة، وحملت لقبين معًا: أول سيارة حقيقية تسير بمحرك احتراق داخلي بنزيني، وأول سيارة تدخل الإنتاج التسلسلي. لم تكن الصفحة فارغة قبل بنز بالطبع - فمحاولات المركبات الآلية كانت مستمرة منذ قرن تقريبًا، بما فيها مركبة نيكولا-جوزيف كونيو البخارية في 1769؛ لكن الخط الممتد من آلة لينوار بكفاءة %4 إلى دورة أوتو بالضغط لم يصل إلى الطريق إلا بالبنزين وشاسيه بنز الخفيف.

ويجدر أيضًا تسجيل نصيب دويتس في هذه السلسلة: فالمكربن ونظام الإشعال منخفض الجهد الموثوق المطوران في عام 1884 أتاحا استخدام وقود البترول السائل في المحركات لأول مرة. وهكذا وُلد وقود السيارة كمنتج جانبي تقني. أما خط دارملر ومايباخ فقد تُوّج بنهاية ثمانينيات القرن التاسع عشر بالسيارة التي طُوّرت من أجل إميل جيلينيك: كان محرك السيارة بقوة 35 حصانًا يحقق سرعة تقارب 90 كم/س ، وكانت تحمل اسم مرسيدس ابنة جيلينيك. كان تقييم تلك الحقنة قاسياً - فأول سيارات بنز في ثمانينيات القرن التاسع عشر كانت بديلاً سيئاً عن الحصان؛ لكن التقدم الذي أطلقته تعمّق دون انقطاع طوال قرن كامل.

هندسة الأسطوانات: ماذا تخبرنا ترتيبات Inline وV وFlat؟

طالما بقي دورة أوتو ثابتة، دارت منافسة القرن بدرجة كبيرة حول كيفية ترتيب الأسطوانات. توجد ثلاثة ترتيبات أساسية، ويستجيب كل منها لأولوية هندسية مختلفة:

  • Inline (المستقيم): الأسطوانات موضوعة في صف واحد. بسيط ومتوازن؛ والثمن هو الطول - فهو يشغل كتلة محرك أطول بشكل ملحوظ من ترتيب V بنفس عدد الأسطوانات.
  • V: الأسطوانات ترتب بزاوية في صفين (بنكين)؛ فيُبنى V8 عادةً بزاوية 60°–90° وببنكين يضم كل منهما أربع أسطوانات. فهو يقصّر الطول ويوفر حجرة محرك مدمجة.
  • Flat (المتعاكس الأفقي): الزاوية بين البنكين هي 180°. وبفضل مركز ثقله المنخفض وتوازنه الاهتزازي، يقدم ملف توازن-أداء مختلفًا في التطبيقات المتجهة نحو الأداء.

كما يتضح المقابل التاريخي لهذا المثلث: ففي الفترتين قبل الحرب وبعدها كبرت سعات المحركات وأعداد الأسطوانات؛ وبحلول سبعينيات القرن العشرين، كان المحرك الافتراضي للسوق الأمريكية شبه محصور في V8. وأزمات النفط التي سنراها أدناه أنتجت الضغط الذي قلب هذه التفضيلات المعمارية رأسًا على عقب بين ليلة وضحاها.

عصر السيارات المدمجة بعد الحرب: Beetle وFiat 500 وMini

بعد الحربين العالميتين كُتبت قصة المحرك ليس بحجم ضخم بل بحجم صغير. سيارة العائلة الأوروبية بعد الحرب Volkswagen Beetle - واسمها الرسمي Type 1 - أُنتجت دون انقطاع بين 1938–2003 ، وحددت بنظامها المبرد بالهواء وبمحركها الخلفي قالب السيارات الصغيرة في ذلك العصر. وكان لهذا النظام تأثير مباشر: فسيارة Fiat 500 الأصلية انطلقت مستلهمةً معمارية Beetle لعام 1938، وأصبحت أيقونة بعد بيع 3.4 مليون نسخة بين 1957–1975. أما Mini فقد انضم في عام 1959. والقاسم المشترك بين الثلاثة لم يكن الرخص بل الموثوقية والبساطة؛ فسيارات الفترة الكلاسيكية الصغيرة الأوروبية كانت تُعتبر ذات يوم قمة البساطة وانخفاض تكاليف التشغيل. وبلغة الهندسة، هذا هو اسم الفترة التي أصبح فيها تقليص عدد الأسطوانات والسعة وزيادة الموثوقية أكثر قابلية للبيع من زيادة القوة.

كيف غيّرت أزمة النفط عام 1973 تصميم المحرك؟ ثورة التصغير والتيربو

1973 petrol krizinin ardından turboşarj devrimini başlatan BMW 2002 Turbo, Avrupa'nın ilk seri üretim turboşarjlı yol otomobili olarak tarihe geçti.

في عام 1973 ضاعفت حظر النفط الذي فرضته أوبك سعر البرميل مرتين ثم أربعة أضعاف، وكشفت بكل عري عن هشاشة أسطول السيارات الأمريكية الجائعة للوقود. ووُلدت مصطلحات تصميم المحركات من هذا الصدمة: فمفهوم Malaise era الذي يصف تلك الحقبة يبدأ مع الارتفاع المفاجئ في تكلفة البنزين؛ حيث أغلق المصنّعون عصر الهياكل والمحركات المفرطة في الحجم وعادوا إلى الكفاءة. وفي الولايات المتحدة قُلّلت سعات محركات V8 الافتراضية إلى النصف تقريبًا؛ جذر الفكرة التي نسميها اليوم "downsizing" يمتد إلى هنا، وتحديداً إلى أزمة OPEC. تؤكد السجل التاريخي المؤسسي لـ Toyota نفس هذا الألم: فانخفاض إمدادات النفط وارتفاع الأسعار زادا من تفاقم ندرة المواد والمنتجات في تلك الفترة.

أما الجواب على ضغط الكفاءة من ناحية الأداء فكان استعادة طاقة غازات العادم: الشحن التوربيني. يُعتبر ثلاثة أسماء روّاداً لهذه الثورة، والتسلسل الزمني كالتالي:

  1. BMW 2002 Turbo - عُرض في معرض فرانكفورت للسيارات 1973 بعد ثلاث سنوات من التطوير؛ بمحرك M10 رباعي الأسطوانات سعة 2,0 لتر (1990 سي سي) SOHC بشاحن توربيني من KKK وحقن Kugelfischer، أصبح أول سيارة طريق أوروبية بشاحن توربيني تُنتج بكميات كبيرة، قبل سنتين من حلول Porsche المشابهة.
  2. Porsche 911 Carrera Turbo (930) - وضعت الشاحن التوربيني في صميم الهوية الأدائية للعلامة.
  3. Saab 99 Turbo - نقلت التوربو في 1978 إلى سيارة عائلية عادية، مما خلق جمهوراً من المتحمسين استمر عقوداً؛ واتبعت Volvo 240 Turbo هذا الخط العملي نفسه.

القراءة المتوازنة هي: إذا جعلت 2002 Turbo و911 Turbo من الشاحن التوربيني رمزاً للأداء، فقد حوّلته 99 Turbo و240 Turbo إلى رفاهية للاستخدام اليومي. التأثير الإجمالي للثلاثي الرائد كان نقل الشاحن التوربيني من تقنية سباقات متخصصة إلى أداة كفاءة سائدة - الجواب الأنيق على الإلزام الذي فرضته أزمة النفط على الهندسة.

صعود الديزل وسقوطه مع Dieselgate

في نهاية القرن العشرين، كان الديزل أحد ركائز الكفاءة؛ أما في الربع الأول من القرن الحادي والعشرين فقد تحول إلى أزمة موثوقية. نقطة التحول كانت سبتمبر 2015: في فضيحة Dieselgate، زوّدت Volkswagen ملايين السيارات الديزلية ببرمجيات غش تسمى "defeat device" لخداع اختبارات الانبعاثات في مختلف أنحاء العالم. وفقاً لما حددته وكالة حماية البيئة الأمريكية EPA، انتهكت الشركة قانون الهواء النظيف بحوالي 590.000 سيارة ديزل من موديلات 2009–2016. تؤكد الأدبيات العلمية أن البرمجيات الخادعة أنتجت نتائج انبعاثات أكسيد النيتروجين NOx مزيفة بشكل غير قانوني. والفضيحة ليست ملف شركة واحدة فقط؛ فمن المعروف على نطاق واسع داخل القطاع أن العديد من المصنّعين تلاعبوا بقيم ثاني أكسيد الكربون CO₂ في الاختبارات واستهلاك الوقود. علّقت VW مبيعاتها الديزلية الحالية حتى توفر تقنية تلبي المعايير الجديدة بعد الفضيحة.

والنتيجة قابلة للقياس وقاسية. تراجعت الحصة السوقية للسيارات الديزلية في أوروبا من مستوى %52 في 2015 عام اندلاع الفضيحة إلى %18 في 2023؛ وفي الفترة نفسها ارتفعت حصة السيارات الكهربائية بسرعة. قول إن الديزل "مات" مبالغة، لكن لا جدال في أن ذلك كان إغلاقاً لعصر في مشهد الطرق الأوروبية - وقد أفسح هذا الإغلاق الفجوة الرئيسية التي مهّدت الطريق لصعود الكهرباء.

طريق جانبي: محرك Wankel وعناد Mazda الذي دام 45 عاماً

أشهر انحراف خارج المسار الرئيسي هو المحرك الدوار (rotary) للمهندس الألماني Felix Wankel؛ تعود جذوره إلى المفهوم الذي ظهر في 1929 وترسّخ في خمسينيات القرن العشرين. هذه الفكرة الأنيقة التي تُنشئ دورة عمل بدوارٍ دوّار بدلاً من المكبس والأسطوانة وجدت أنصاف أنصافها في اليابان: وقعت مازدا اتفاقية تطوير مع NSU في 1959 مقدمةً التزاماً مبكراً ودائماً. بدأت مغامرة المحرك الدوار في 1967 مع Cosmo Sport (مازدا 110S)؛ وتم نقله إلى أواخر الستينيات بنماذج مثل R100، وعلى مدى 45 عاماً تالية تم إنضاج المحرك من خلال زيادة سعات الأسطوانات وإضافة الشحن التوربيني. رغم بقاءه خارج التيار الرئيسي، يبقى وانكل في الذاكرة الهندسية أطول خط تجريبي عمراً أثبت أن دورة أوتو ليست البديل الوحيد.

الانفجار الياباني: كيف غيّرت أزمة النفط سيّدَ العصر؟

حدث آخر كسر كبير في قرن كامل في الجغرافيا الإنتاجية. في سبعينيات القرن العشرين، كانت السيارات اليابانية لا تزال تُعامل ك taboo لدى الأجيال الأكبر سناً، وما زال السؤال حول ما إذا كانت أزمة النفط عام 1973 قد أشعلت هذه الانفجارة موضع جدل حتى اليوم. طرفا الجدل واضحان: من جهة، جعلت الأزمة المركبات الموفرة للوقود صغيرة المحركات فجأة أكثر المنتجات طلباً في العالم؛ ومن الجهة الأخرى، لا يمكن اختزال صعود المصنعين اليابانيين في صدمة نفطية مسعّرة فحسب. تتعامل تويوتا مع ردها على أول أزمة نفط كفصل مستقل في تاريخها المؤسسي - أي أنها تقول إن الأزمة لم تكن رياحاً عرضية بل نقطة تحول عولجت بشكل منهجي في استراتيجية الشركة. من منظور المهندسين، المعادلة متسقة: أصبحت الكفاءة مدخلاً في التصميم، ومنذ 1973 ورثت الثقافة التي أدرت هذا المدخل بأفضل شكل سوقَ العصر. وكون بعض رواد التوربو أيضاً من مصنعين أوروبيين موجهين نحو الكفاءة مثل ساب وفولفو هو الوجه الأوروبي لنفس المنطق.

الخلاصة: اليومَ لدورة عمرها 150 عاماً

يُقرأ الخط الممتد من آلة أوتو لعام 1876 إلى حجرة المحرك التي خلت بعد ديزل جيت بمنطق واحد: قيد كل عصر كتب أولوية تصميم العصر التالي. كفاءة لينوار البالغة 4% فرضت الضغط؛ والضغط أنجب السيارة؛ والحرمان بعد الحرب صغّرها؛ وأزمة النفط فرضت الكفاءة والتوربو؛ وأنظمة الانبعاثات امجّدت الديزيل ثم أسقطته. ما يزال دورة الأشواط الأربعة ذات الإشعال الشراري تعمل على الطرق - لكن إضافة أن خط نهاية هذا السباق الذي يمتد 150 عاماً صار يُرسم كهربائياً هي مهمة قارئ التاريخ.

المصادر