يكون محرك السفينة في سفينة شحن كبيرة عادة محرك ديزل بطيء السرعة ثنائي الأشواط يدور بنحو 60–130 rpm ويتصل مباشرة بعمود المروحة، بينما تستخدم العبارات والسفن السياحية والقاطرات وسفن الخدمات البحرية في الغالب محركات ديزل رباعية الأشواط متوسطة أو عالية السرعة تنقل القدرة عبر علبة تروس أو تشغل مولدات. تتفوق المحركات ثنائية الأشواط في كفاءة الوقود والبساطة عند القدرات الكبيرة جدًا؛ وتتفوّق رباعية الأشواط في صغر الحجم وكثافة القدرة والمرونة.
أهم النقاط
- تُصنف محركات الديزل البحرية بحسب السرعة: منخفضة السرعة (عادة أقل من نحو 300 rpm، وتكون دائمًا تقريبًا ثنائية الأشواط)، ومتوسطة السرعة (نحو 300–1000 rpm)، وعالية السرعة (أعلى من نحو 1000 rpm)، وتكون الفئتان الأخيرتان عادة رباعيتي الأشواط.
- يحدث الاحتراق في محرك الديزل ثنائي الأشواط كل دورة؛ وفي المحرك رباعي الأشواط كل دورتين.
- تستخدم محركات السفن الكبيرة ثنائية الأشواط تصميمات الرأس المتصالب مع الكسح أحادي الاتجاه، ويمكن أن يبلغ استهلاكها النوعي للوقود على أساس القدرة الفرملية نحو 170 g/kWh، بكفاءة حرارية تقارب 50 بالمئة.
- يُشار على نطاق واسع إلى محرك RTA96-C ثنائي الأشواط ذي 14 أسطوانة بوصفه أكبر محرك ترددي، بقدرة مقننة تبلغ نحو 80000 kW ووزن يزيد على 2300 طن.
- تستخدم السفن السياحية عادة الدفع الديزل الكهربائي: تشغل عدة محركات متوسطة السرعة مولدات تغذي محركات دفع كهربائية أو وحدات دفع حاضنة.
- منذ 2020، تحدد قواعد IMO بموجب الملحق VI لاتفاقية MARPOL نسبة الكبريت في الوقود بحد أقصى 0.50 بالمئة عالميًا و0.10 بالمئة في مناطق التحكم في الانبعاثات، مما يدفع السفن إلى استخدام وقود منخفض الكبريت أو أجهزة غسل غازات العادم أو LNG.
ما نوع محركات السفن الذي تستخدمه معظم السفن؟
تستخدم معظم السفن التجارية محركات الديزل لما تتمتع به من كفاءة حرارية ومرونة في الوقود وموثوقية. ويعتمد حجم المحرك وسرعته على نوع السفينة وطريقة نقل القدرة.
| فئة المحرك | السرعة المعتادة | دورة التشغيل | نطاق القدرة المعتاد | مجالات الاستخدام |
|---|---|---|---|---|
| منخفضة السرعة | ~60–130 rpm (الوحدات الكبيرة) | ثنائي الأشواط، ذو رأس متصالب | عدة MW إلى نحو 80 MW | سفن الحاويات، ناقلات البضائع السائبة، ناقلات السوائل |
| متوسطة السرعة | ~300–1000 rpm | رباعي الأشواط، ذو مكبس جذعي | ~0.5–20 MW لكل محرك | العبارات، السفن السياحية، سفن الخدمات البحرية، القاطرات الكبيرة، مجموعات توليد السفن |
| عالية السرعة | أعلى من ~1000 rpm | رباعي الأشواط | حتى بضعة MW | قوارب العمل، زوارق الدورية، العبارات السريعة، القاطرات الصغيرة، مجموعات التوليد المساعدة |
تختلف تعريفات نطاقات السرعة بين المصادر والشركات المصنعة للمحركات، لذا تعامل مع الحدود باعتبارها تقريبية. وتحمل كل سفينة كبيرة أيضًا محركات مساعدة، تكون عادة مجموعات توليد رباعية الأشواط متوسطة أو عالية السرعة، لتوفير الطاقة الكهربائية في البحر وفي الميناء.
كيف يعمل محرك الديزل ثنائي الأشواط؟
ينجز محرك الديزل ثنائي الأشواط عمليات السحب والضغط والقدرة والعادم في دورة واحدة لعمود المرفق، لذا يحدث الاحتراق في كل أسطوانة كلما وصل المكبس إلى الأعلى. وتستخدم النسخ البحرية الكبيرة نظام هواء كسح تغذيه شواحن توربينية بدلًا من شوطَي سحب وعادم منفصلين.
- شوط القدرة — يُحقن الوقود قرب النقطة الميتة العليا في هواء مضغوط إلى درجة حرارة مرتفعة، فيشتعل ويدفع المكبس إلى الأسفل.
- العادم — قرب أسفل الشوط، ينفتح صمام عادم يعمل هيدروليكيًا في غطاء الأسطوانة وينخفض الضغط.
- الكسح — يكشف المكبس فتحات في بطانة الأسطوانة، فيتدفق الهواء المضغوط من الشاحن التوربيني وخزان هواء الكسح صعودًا عبر الأسطوانة، دافعًا غازات العادم إلى الخارج عبر الصمام. ويُسمى هذا التدفق في اتجاه واحد بالكسح أحادي الاتجاه.
- الضغط — تُغلق الفتحات وينغلق صمام العادم، ويضغط المكبس الصاعد الهواء النقي استعدادًا للدورة التالية.
لأن الاحتراق يحدث فيها كل دورة ولأنها تعمل ببطء، يمكن توصيل المحركات ثنائية الأشواط منخفضة السرعة مباشرة بمروحة كبيرة ثابتة الخطوة دون علبة تروس. ومعظمها قابل لعكس الدوران مباشرة: للرجوع إلى الخلف، يُوقف المحرك ثم يُعاد تشغيله في الاتجاه المعاكس.
لماذا تستخدم محركات السفن الكبيرة تصميم الرأس المتصالب؟
في محرك الرأس المتصالب، يتصل قضيب المكبس برأس متصالب ينزلق في مجارٍ توجيهية، ويربط ذراع التوصيل الرأس المتصالب بعمود المرفق. ويمنع ذلك انتقال الأحمال الجانبية إلى بطانة الأسطوانة ويفصل الأسطوانات عن علبة المرفق، بحيث يمكن تحسين زيت تزييت الأسطوانات وزيت النظام كلٌّ على حدة. والمقابل هو الارتفاع: فمحركات الرأس المتصالب أعلى بكثير من محركات المكبس الجذعي ذات القدرة المماثلة.
بماذا يختلف محرك الديزل البحري رباعي الأشواط؟
يستخدم محرك الديزل رباعي الأشواط أشواطًا منفصلة للسحب والضغط والقدرة والعادم، لذا يحدث الاحتراق في كل أسطوانة كل دورتين. وتتحكم الصمامات في رأس الأسطوانة في تبادل الغازات، ويتصل المكبس مباشرة بذراع التوصيل (تصميم المكبس الجذعي).
تعمل محركات السفن رباعية الأشواط بسرعة أعلى، فتنتج قدرة أكبر بالنسبة لحجمها ووزنها. وهذا يجعلها الخيار الطبيعي عندما يكون ارتفاع غرفة المحركات وطولها محدودين، كما في العبارات وسفن الإمداد البحرية والقاطرات. وتعني سرعتها الأعلى أنها تدير المروحة عادة عبر علبة تروس تخفيض، غالبًا مع مروحة قابلة للتحكم في الخطوة، أو تشغل مولدات في منظومة ديزل كهربائية.
| الخاصية | ثنائي الأشواط منخفض السرعة | رباعي الأشواط متوسط/عالي السرعة |
|---|---|---|
| تكرار الاحتراق | كل دورة | كل دورتين |
| الاتصال بالمروحة | دفع مباشر، دون علبة تروس | علبة تروس تخفيض أو دفع ديزل كهربائي |
| الحجم لكل kW | كبير وثقيل | مدمج |
| كفاءة استهلاك الوقود | الأعلى بين جميع المحركات البحرية | عالية، وأقل قليلًا عند تساوي القدرة |
| تبادل الغازات | فتحات بطانة الأسطوانة مع صمام عادم | صمامات سحب وعادم |
| التكرار الاحتياطي | عادة محرك رئيسي واحد | استخدام محركات متعددة شائع |
| السفن المعتادة | سفن الشحن العابرة للمحيطات | العبارات، السفن السياحية، القاطرات، سفن الخدمات البحرية |
ما المحركات التي تدفع سفن الشحن والحاويات والسفن السياحية؟
تكون محركات سفن الشحن والحاويات دائمًا تقريبًا محركًا واحدًا ثنائي الأشواط منخفض السرعة، لأن هذه السفن تعمل بسرعة ثابتة لأسابيع ويشكل الوقود أكبر تكلفة تشغيلية لها. أما محركات السفن السياحية فتكون عادة عدة محركات رباعية الأشواط متوسطة السرعة ضمن منظومة ديزل كهربائية.
- محرك سفينة الحاويات — محرك واحد كبير ثنائي الأشواط، غالبًا من 8–12 أسطوانة في أكبر السفن، يدير مروحة واحدة كبيرة ثابتة الخطوة. وقد استخدمت أكبر سفن الحاويات محركات من فئة RTA96-C، التي يبلغ قطر أسطوانتها في نسخة 14 أسطوانة 960 mm، وشوطها 2500 mm، وقدرتها المقننة نحو 80000 kW.
- ناقلة البضائع السائبة وناقلة السوائل — محركات مماثلة ثنائية الأشواط بطيئة السرعة، لكنها عادة أصغر في قطر الأسطوانات وأقل في عددها.
- محرك السفينة السياحية — عادة من أربعة إلى ستة محركات متوسطة السرعة تغذي شبكة كهربائية مشتركة. وتدير المحركات الكهربائية أعمدة الدفع أو وحدات دفع حاضنة قابلة للدوران حول المحور الرأسي، ويُضبط عدد المحركات العاملة بحسب الحمل لتحقيق الكفاءة، بينما تأتي الطاقة اللازمة للخدمات الفندقية من المنظومة نفسها.
- العبارات وسفن الخدمات البحرية — محركات رباعية الأشواط متوسطة أو عالية السرعة تنقل القدرة عبر علب تروس، وأحيانًا ضمن تجهيزات ديزل كهربائية أو هجينة.
تستخدم العبارات الأصغر والسفن الساحلية محركات عالية السرعة بقدرات تتراوح من مئات إلى بضعة آلاف من kW. فمثلًا، يتوفر SC33W1000CA2 مع علبة تروس مدمجة ضمن نطاق 680–1100 hp، وهو من نوع المحركات المستخدمة في مشروع دفع عبارة الركاب.
ما أنواع الوقود التي تحرقها محركات السفن، وماذا عن LNG؟
صُممت المحركات الكبيرة ثنائية الأشواط لحرق زيت الوقود الثقيل، وما زال كثير منها يستخدمه مع أجهزة غسل غازات العادم، بينما تحرق أخرى زيت وقود منخفض الكبريت جدًا أو زيت الغاز البحري لاستيفاء حدود الكبريت في الملحق VI لاتفاقية MARPOL. وتستخدم السفن العاملة بوقود LNG محركات مزدوجة الوقود يمكنها التبديل بين الغاز والوقود السائل.
تأتي المحركات ثنائية الأشواط مزدوجة الوقود وفق مفهومين رئيسيين: حقن الغاز بضغط عالٍ، حيث يُحرق الغاز وفق دورة الديزل، وإدخال الغاز بضغط منخفض، حيث تُحرق شحنة ممزوجة مسبقًا وفق دورة أوتو مع كمية صغيرة من الوقود السائل للإشعال الأولي. يقلل LNG أكاسيد الكبريت والجسيمات إلى حد شبه كامل ويخفض CO2، لكن يجب التحكم في تسرب الميثان غير المحترق. كما توفر الشركات المصنعة محركات قادرة على العمل بالميثانول، وتطور تصميمات تعمل بالأمونيا في إطار سعي النقل البحري لتحقيق أهداف IMO المتعلقة بغازات الدفيئة.
تُنظم انبعاثات أكاسيد النيتروجين من خلال حدود مستويات IMO. ويتطلب المستوى III، الذي يُطبق في مناطق محددة للتحكم في انبعاثات NOx على السفن المبنية بعد التواريخ ذات الصلة، عادة الاختزال التحفيزي الانتقائي أو إعادة تدوير غازات العادم عند التشغيل بالديزل.
ماذا يعني ذلك لمشتري محركات الدفع البحري الأصغر؟
بالنسبة لمعظم السفن الأصغر من سفن الشحن العابرة للمحيطات، يكون الخيار الفعلي بين محركات رباعية الأشواط متوسطة السرعة وعالية السرعة، متوافقة مع علبة تروس بحرية. وعادة تدوم المحركات الأبطأ والأكبر مدة أطول تحت الحمل المستمر؛ بينما توفر المحركات الأسرع الوزن والمساحة.
- غالبًا ما تجمع القاطرات والكراكات وقوارب العمل الثقيلة بين محركات من فئة 1000 kW، مثل المحرك الرئيسي CW6250ZLC-1N أو V12 12M33C1000-15، وعلب تروس للخدمة الشاقة.
- تستخدم قوارب الصيد وقوارب العمل الساحلية عادة محركات عالية السرعة بقدرة 100–400 kW، كما يناقش دليل شراء محركات الديزل البحرية.
- تتبع مجموعات التوليد المساعدة على أي سفينة تصنيفات ISO 8528، بينما تستند تصنيفات محركات الدفع البحري عادة إلى الظروف المرجعية في ISO 3046 مع تعريفات الخدمة الخاصة بالشركة المصنعة.
تورد MARS محركات دفع بحرية وعلب تروس ضمن هذه الفئات، ويمكنها اختبار المحرك قبل الإرسال مع تقديم تقرير مكتوب وفيديو. لمقارنة الخيارات لسفينة، أرسل تفاصيل السفينة ونمط الخدمة.
الأسئلة الشائعة
ما أكبر محرك سفينة في العالم؟
يُشار على نطاق واسع إلى محرك الديزل RTA96-C ثنائي الأشواط ذي 14 أسطوانة بوصفه أكبر محرك ترددي، بقدرة مقننة تبلغ نحو 80000 kW (نحو 107000 hp) ووزن يزيد على 2300 طن. وتتمتع الأجيال الأحدث من المحركات لدى الجهات الرئيسية المانحة لتراخيص التصنيع بقدرات مقننة مماثلة.
لماذا تستخدم السفن محركات ثنائية الأشواط؟
المحركات ثنائية الأشواط منخفضة السرعة هي أكثر المحركات المتاحة كفاءة في استهلاك الوقود عند القدرات العالية جدًا، وتدور ببطء كافٍ لإدارة مروحة كبيرة مباشرة دون علبة تروس. وفي السفن التي تعمل بسرعة ثابتة خلال رحلات طويلة، يوفر ذلك الوقود ويقلل التعقيد.
ما سرعة دوران محرك السفينة؟
تعمل محركات السفن الكبيرة ثنائية الأشواط عادة بنحو 60–130 rpm عند القدرة المقننة. وتعمل المحركات رباعية الأشواط متوسطة السرعة بنحو 300–1000 rpm، والمحركات عالية السرعة بأكثر من نحو 1000 rpm.
ما المحرك الذي تستخدمه السفينة السياحية؟
تستخدم معظم السفن السياحية الحديثة منظومات ديزل كهربائية تضم عدة محركات رباعية الأشواط متوسطة السرعة تشغل مولدات، ومحركات كهربائية أو وحدات دفع حاضنة تدير المراوح. وتعمل بعض السفن السياحية الأحدث بوقود LNG باستخدام محركات مزدوجة الوقود.
هل محركات السفن محركات ديزل؟
معظمها كذلك. تدفع محركات الديزل والمحركات مزدوجة الوقود الغالبية العظمى من الأسطول التجاري العالمي، بينما تُستخدم التوربينات الغازية والبخارية والأنظمة الكهربائية العاملة بالبطاريات في مجالات محددة فقط.
