جولة متحركة داخل محرك رباعي الأسطوانات على التوالي: دورة الأشواط الأربعة، وعمود المرفق بزاوية 180° وترتيب الإشعال 1-3-4-2، والفرق بين ثنائي ورباعي الأشواط، وتخطيطات الأسطوانات (على التوالي / V / بوكسر)، والبنزين مقابل الديزل، وأين توجد حلقات المكابس وما وظيفتها.
افتح غطاء المحرك، وستدرك أن كل صوت يصدره المحرك أثناء دورانه ما هو في الحقيقة إلا آلاف مؤلفة من "نبضات القلب" المتكررة بدقة متناهية. فمحرك رباعي الأسطوانات في وضع الخمول يكمل نحو 400 دورة كاملة في الدقيقة—أي أسرع ست مرات من نبض قلب الإنسان—وكل واحدة منها عليها أن تحبس دفعة ضغط تتجاوز 50 bar.
الغالبية العظمى من محركات السيارات هي محركات "رباعية الأشواط": يقطع المكبس رحلتين ذهاباً وإياباً صعوداً وهبوطاً داخل الأسطوانة (يدور عمود المرفق دورتين، أي 720° إجمالاً) لإتمام إخراج قدرة واحد. والأشواط الأربعة، بالترتيب، هي:
① السحب—يتحرك المكبس هبوطاً، ويفتح صمام السحب، فيُسحب هواء نقي (أو خليط هواء ووقود) إلى داخل الأسطوانة؛ ② الضغط—تُغلق الصمامات تماماً ويرتفع المكبس، فيضغط الغاز إلى درجة حرارة وضغط عاليين؛ ③ القدرة—يُشعل الخليط وينفجر، فيدفع الغاز عالي الضغط المكبس هبوطاً؛ وهذا هو الشوط الوحيد الذي يؤدي "شغلاً" فعلياً؛ ④ العادم—يفتح صمام العادم ويرتفع المكبس ليدفع الغاز المحترق إلى الخارج. ثم تبدأ النبضة التالية.
لكن "كم شوطاً يلزم لإنتاج شوط قدرة واحد" له في الواقع إجابة أخرى—
مقابل كل إخراج قدرة يكمله المحرك رباعي الأشواط، يتعين على عمود المرفق أن يدور دورتين كاملتين (720°)؛ أما المحرك ثنائي الأشواط فيحشر السحب والضغط والقدرة والعادم في دورة واحدة (360°)—فهو يشتعل مرة واحدة مع كل دورة لعمود المرفق. وبإلغائه أشواط السحب والعادم المستقلة، يستعين بدلاً منها بـ"منافذ" في جدار الأسطوانة إلى جانب المكبس نفسه الذي يعمل عمل الصمام. التصميم أبسط، وعند نفس السعة يكون الإخراج أعنف.
التيار السائد في السيارات. السحب والضغط والقدرة والعادم مستقل كل منها، مما يعطي احتراقاً كاملاً، وتشغيلاً نظيفاً واقتصادياً في الوقود، وتحكماً دقيقاً في الصمامات.
شائع في جزازات العشب والمناشير السلسلية والدراجات النارية القديمة. إخراج عالٍ مقابل السعة، وخفيف الوزن، لكن مع استهلاك أعلى للوقود وانبعاثات أكثر.
راقب المحاكاة عن كثب وستلاحظ أمراً مثيراً: المكابس الأربعة لا يسير كل منها في طريقه الخاص—بل تتحرك في أزواج متقاطعة. فالأسطوانتان 1 و4 تصعدان وتهبطان معاً دائماً، بينما تفعل الأسطوانتان 2 و3 العكس تماماً. وكثيرون ممن يرون هذا لأول مرة يتساءلون: هل هو معطل؟ في الحقيقة، هذا هو جوهر المحرك رباعي الأسطوانات على التوالي.
السر في عمود المرفق. فمرافق المحرك رباعي الأسطوانات على التوالي مرتبة بتعاكس 180°: مرفقا الأسطوانتين 1 و4 يشيران في الاتجاه نفسه، بينما يشير مرفقا 2 و3 في الاتجاه المعاكس. وهذا التصميم يخدم غرضين:
الأول: يبقي القدرة متواصلة. فمع كل 180° يدورها عمود المرفق، تدخل أسطوانة واحدة شوط قدرتها، فتتناوب الأسطوانات الأربع بانتظام على مدى 720° الكاملة. وترتيب الإشعال هو 1 ← 3 ← 4 ← 2 (وليس 1-2-3-4)، فيتنقل موضع الاحتراق ذهاباً وإياباً بين مقدمة المحرك ومؤخرته، ويُحمَّل عمود المرفق بشكل أكثر توازناً.
الثاني: يلغي الاهتزاز. فبينما يرتفع مكبسان، يهبط الآخران، فتلغي قوى القصور الذاتي لكل منها الأخرى، فلا يهتز المحرك في كل مكان كدراجة نارية أحادية الأسطوانة. ولهذا يبدو الأمر كأنه "الجانبان يتقاطعان"—إنها رقصة توازن مصممة عمداً بهندسة، لا مصادفة.
المحاكاة التي شاهدناها للتو كانت لمحرك على التوالي—أربع أسطوانات تقف في صف واحد. لكن هناك أكثر من طريقة لترتيب الأسطوانات، والترتيبات المختلفة تغير ارتفاع المحرك وعرضه وخصائص اهتزازه—وبالتالي اتجاه القوى المؤثرة على حلقات المكبس. وأشهر ثلاثة ترتيبات:
أبسط بنية وأرخصها صيانة، وهو التيار السائد المطلق لسيارات العائلة رباعية الأسطوانات. كلما زادت الأسطوانات طال، والـI6 متوازن ببراعة بطبيعته.
يتشارك صفان من الأسطوانات عمود مرفق واحد، بزاوية 60°–90°. يقل الطول كثيراً، مما يتيح حشر مزيد من الأسطوانات—المفضل لدى سيارات الأداء والفخامة.
تضرب المكابس بعضها بعضاً أفقياً يميناً ويساراً، فتلغي قوى قصورها الذاتي بعضها بعضاً، لأقل اهتزاز ومركز ثقل منخفض جداً. علامة سوبارو وبورشه المميزة، لكنه أغلى صيانة.
إيقاع الأشواط الأربعة في محرك الديزل مطابق تماماً لإيقاعه في محرك البنزين؛ والفرق يكمن في "كيفية الإشعال". فمحرك البنزين يسحب خليط هواء ووقود، وبعد ضغطه، يشعله بشرارة من شمعة الإشعال؛ أما محرك الديزل فيسحب هواءً نقياً فقط، ويستخدم نسبة انضغاط تصل إلى 16–22:1 لضغط ذلك الهواء إلى ما يزيد على 500°، ثم يحقن الديزل عبر بخاخ عالي الضغط فيشتعل فوراً من تلقاء نفسه—دون حاجة إلى شمعة إشعال على الإطلاق.
| البند | محرك البنزين (SI) | محرك الديزل (CI) |
|---|---|---|
| طريقة الإشعال | شمعة الإشعال تشعل الخليط | الانضغاط العالي يجعل الديزل يشتعل ذاتياً، دون شمعة إشعال |
| نسبة الانضغاط | نحو 10–14:1 | نحو 16–22:1 |
| ضغط الاحتراق داخل الأسطوانة | أقل، نحو 60–100 bar | أعلى، حتى 150–200 bar |
| الكفاءة الحرارية | نحو 30–35% | أكثر من 40%، أوفر في الوقود |
| الخصائص | عالي الدوران، سلس وهادئ | عزم عالٍ عند دوران منخفض، مثالي للأحمال الثقيلة والمسافات الطويلة |
| محور تصميم حلقة المكبس | حلقات أرفع، شد منخفض، طلاءات PVD/DLC | حلقات Keystone، مقاطع أسمك، تصفيح كروم/سيراميك صلب |
يستطيع القلب ضخ الدم بفعالية لأن صماماته تضمن تدفق الدم في اتجاه واحد فقط ودون رجوع أبداً. والمحرك مثله تماماً: لا بد من وجود خلوص بين المكبس وجدار الأسطوانة كي ينزلق، ومع ذلك فإن الغاز عالي الضغط الناتج عن الاحتراق لا يمكن مطلقاً أن يتسرب عبر ذلك الخلوص—والجزء الذي يقف حارساً هو حلقة المكبس.
تُركَّب حلقات المكبس في أخاديد الحلقات في الجانب العلوي من المكبس. والترتيب القياسي هو ثلاث حلقات من الأعلى إلى الأسفل، لكل منها وظيفة مختلفة:
لا تستهن بهذه الحلقات المعدنية الثلاث. فحلقات المكبس عليها أن تُحكم الإغلاق وتكشط الزيت وتنقل الحرارة كلها في آنٍ واحد، في بيئة من 300°، وآلاف دورات الصعود والهبوط في الدقيقة، وشبه انعدام للتزييت، وأن تصمد لأكثر من 200,000 كيلومتر. ومادتها وشكل مقطعها العرضي ومعالجة سطحها كلٌّ منها حرفة تراكمت عبر عقود.
ولأن محركي البنزين والديزل يختلفان في "شدة نبضة القلب"، فإن تصميمي حلقات مكبسهما يسلكان اتجاهين مختلفين تماماً: فمحركات البنزين تسعى وراء الاحتكاك المنخفض والاقتصاد في الوقود، فتجعل الحلقات أرفع فأرفع وأقل شداً، مقترنة بطلاءات PVD وDLC الكربونية الشبيهة بالماس؛ أما محركات الديزل، التي تواجه ضعف ضغط الاحتراق وبيئة محمَّلة بالكربون، فتحوِّل الحلقة العلوية إلى مقطع Keystone لمنع الالتصاق، وتقاوم التآكل بطلاءات صلبة سميكة كالتصفيح بالكروم والسيراميك.
من بين الحلقات الثلاث، حلقة الزيت في القاع تماماً هي الأدق بنية. فعليها أن تؤدي أمرين متعاكسين في آنٍ واحد: أن تفرش الكمية المناسبة تماماً من طبقة الزيت على جدار الأسطوانة للتزييت، وأن تكشط الزيت الزائد عائدة به إلى الحوض كي لا يدخل غرفة الاحتراق ويحترق. ولموازنة قوة الكشط مع القابلية للتشكّل، لا تكون حلقة الزيت عادةً حلقة واحدة بل تجميعة من عدة أجزاء. وهناك بنيتان سائدتان:
تتكون من سكتين جانبيتين أعلى وأسفل تحتضنان موسِّعاً فاصلاً في الوسط. تتشكّل كل من السكتين الفولاذيتين الرفيعتين على جدار الأسطوانة بمفردها لقابلية تشكّل ممتازة، فتكشط الزيت بنظافة مع احتكاك منخفض—التيار السائد في محركات البنزين الحديثة رفيعة الحلقات. أنواع شائعة: RIK／NPR／PC／TP／U-Flex／Hump Spring.
تتكون من جسم حلقة من قطعة واحدة بالإضافة إلى موسِّع لولبي خلفها، يوفر الموسِّع شداً شعاعياً منتظماً. وبمقطعها السميك وصلابتها العالية، تُستخدم كثيراً في محركات الديزل والخدمة الشاقة. ومن موادها الفولاذ، وحديد الزهر، والحديد المطيل.
انخرطت C.T.I. Traffic Industries بعمق في تصنيع حلقات المكبس منذ عام 1973، فتزوّد أطقم حلقات محركات البنزين والديزل لسوق قطع الغيار العالمي عبر مجموعة كاملة من المواصفات تشمل حديد الزهر، والحلقات الفولاذية، والتصفيح بالكروم، وDLC. فكل نبضة من نبضات المحرك، نحن لها حارسون.
© C.T.I. Traffic Industries Co., Ltd. محتوى أصلي من C.T.I. — يُمنع إعادة النشر أو النسخ أو الاستخدام التجاري دون إذن.
رجوع