ما الذي يحدث داخل محرك الأشواط الأربعة في غضون ثانية واحدة؟
شارك هذه الصفحة
في محرك رباعي الأشواط، تمثل الثانية سلسلة ميكانيكية مكثفة: مكبس يقوم بعشرات الحركات الكاملة ذهاباً وإياباً بين النقطة الميتة العليا والسفلى، وصمامات تُفتح وتُغلق بتوقيت مثالي، واحتراق ينتج شغلاً مرة واحدة فقط لكل لفتين للعمود المرفقي. السحب والانضغاط والقدرة والعادم: كل شوط من هذه الأشواط الأربعة يقابل 180 درجة كاملة من العمود المرفقي، وكلما ارتفعت سرعة دوران المحرك، انحشر الشوط في كسر أصغر من الثانية.
أبرز النقاط
- الدورة الكاملة الواحدة 720° أي تستغرق لفتين من العمود المرفقي؛ ويستغرق كل شوط 180° .
- تُنتج القدرة في شوط واحد فقط من الأشواط الأربعة: هناك شوط قدرة مرة واحدة كل لفتين .
- تبدأ شمعة الإشعال الشرارة عادةً قبل النقطة الميتة العليا بنحو 20 درجة من زاوية العمود المرفقي .
- يحوّل محرك الاحتراق الداخلي في المتوسط 40-45% فقط من الطاقة المزودة إلى شغل ميكانيكي.
- في المحركات الصناعية، تقتصر سرعة المكبس المتوسطة على نحو 10 م/ث .
كيف يعمل المحرك رباعي الأشواط: أربع خطوات داخل الأسطوانة
كل شيء يبدأ بتعريف "الشوط": الشوط هو حركة المكبس الكاملة في أي اتجاه على طول الأسطوانة. حين يكون المكبس في أقصى موضع علوي فهو عند النقطة الميتة العليا (TDC)، وحين يكون في أقصى موضع سفلي فهو عند النقطة الميتة السفلى (BDC). تمتد دورة المحرك رباعي الأشواط على أربعة أشواط بين هاتين النقطتين وعلى لفتين كاملين للعمود المرفقي. تُحوّل الحركة الخطية للمكبس، عبر ذراع التوصيل، إلى دوران للعمود المرفقي؛ ويدور العمود المرفقي 720 درجة لكامل الأشواط الأربعة.
دور الصمامات في هذه الدورة بالغ الأهمية. يُدار صماما السحب والعادم بواسطة عمود كامات يدور بنصف سرعة العمود المرفقي. هذه النسبة النصفية ليست مصادفة بل ضرورة: بما يجب أن تُقفل فيه أحداث الصمامات بزاوية العمود المرفقي، يلاحق عمود الكامات كل دورة بنصف لفة من العمود المرفقي.
1. السحب: شفط الهواء إلى الداخل بتفريغ جزئي
حين يبدأ المكبس بالنزول من النقطة الميتة العليا يكون صمام السحب مفتوحاً. هبوط المكبس يكبّر حجم الأسطوانة ويُحدث بداخلها تفريغاً جزئياً، أي ضغطاً سالباً. ويسحب هذا الفارق في الضغط خليط الهواء والوقود إلى الأسطوانة. شوط السحب هو النزول الكامل للمكبس من TDC إلى BDC، ويغطي أول 180 درجة من الدورة.
2. الانضغاط: تكثيف الطاقة
عند النقطة الميتة السفلى يُغلق صمام السحب ويبدأ الانضغاط. الآن كلا الصمامين مغلق؛ ويصعد المكبس مضغوطاً خليط الهواء والوقود في الحجم الضيق لغرفة الاحتراق. للانضغاط وظيفتان: زيادة تبخر بخار الوقود، وتحرير طاقة أكبر عند الإشعال. الطاقة المُنفَقة على الانضغاط لا تتجاوز نحو ربع الطاقة الناتجة عن الاحتراق؛ أي أن الاستثمار مجدٍ.
قياس نسبة الانضغاط من أسرع الطرق لفهم شخصية المحرك. في محركات البنزين يتراوح النطاق الشائع بين 6:1 و10:1 ؛ وكلما ارتفعت النسبة زادت الكفاءة، لكن يرتفع كذلك خطر اشتعال البنزين ذاتياً، أي خطر الطقطقة. لذلك فإن رقم الأوكتان للبنزين هو مقياس مقاومته للاشتعال الذاتي: أوكتان أعلى يسمح بنسبة انضغاط أعلى.
3. القدرة: الشوط الوحيد الذي ينتج عملاً في الدورة
في نهاية شوط الانضغاط، قبل حوالي 20 درجة من زاوية العمود المرفقي قبل النقطة الميتة العليا يُطلق شمع الإشعال شرارة. لماذا ليس تماماً في القمة؟ لأن جبهة اللهب تحتاج إلى وقت للتقدم عبر غرفة الاحتراق؛ فتُشعل الشرارة مسبقاً بحيث تتكون ذروة الضغط عندما يكون المكبس في القمة تماماً لتوفير الدفع. يدفع الخليط المحترق المكبس نحو النقطة الميتة السفلية مولّداً الشغل الميكانيكي الذي يدير العمود المرفقي. طوال الدورة بأكملها، هذا الشوط وحده ينتج عملاً؛ وأياً كان عدد الأسطوانات، كل محرك رباعي الأشواط يحصل على شوط قدرة واحد كل 720 درجة. سرّ سلاسة عمل المحركات متعددة الأسطوانات هو دمج أشواط القدرة هذه على العمود المرفقي.
4. العادم: إفراغ غرفة الاحتراق
عندما يصل المكبس إلى النقطة الميتة السفلية، يفتح صمام العادم، وفي آخر 180 درجة من الدورة يرتفع المكبس طارداً غازات العادم من خلال منفذ العادم. عند الوصول إلى النقطة الميتة العليا تكون الأسطوانة قد أُفرغت، وصمام السحب جاهزاً للفتح مجدداً، وتبدأ الدورة من جديد. كل امتلاء للأسطوانة يعني إعادة تأسيس دورة الدورتين.
كلما زادت دورات المحرك، كم يستغرق الشوط الواحد؟
يُوجد جواب السؤال بحساب بسيط. بما أن دورة التشغيل تستغرق لفتين من دورات العمود المرفقي، فإن سرعة دوران المحرك تحدد مدة الشوط مباشرة. على سبيل المثال، عند 1.000 rpm يقوم المحرك بحوالي 16.7 دورة في الثانية؛ وتستغرق الدورة الكاملة حوالي 60 ملي ثانية أي أن الشوط الواحد يستغرق 15 ملي ثانية. أما عند 6.000 rpm فهناك 100 دورة في الثانية، وينخفض كل شوط بما فيه شوط القدرة إلى حوالي 2.5 ملي ثانية. يجب أن يتزامن الاحتراق وحركة الصمامات وتدفق الغازات جميعها على هذه المقاييس.
الفيزياء هي التي تحدد سقف الدورات أيضاً. متوسط سرعة المكبس هو دالة في الشوط وعدد الدورات؛ وفي المحركات الصناعية تُحّد هذه السرعة بحوالي 10 م/ث كي لا يتعطل تزييت جدار الأسطوانة. عند الدورات العالية يدخل نوعان نموذجيان من المشاكل حيز الوجود: إذا لم تلحق نوابض الصمامات يحدث "طفو الصمام"، وقد يتسبب تلامس المكبس مع الصمام في إتلاف المحرك بشكل جسيم. كذلك يمكن أن يؤدي اهتزاز حلقات المكبس إلى فقد في ضغط الأسطوانة والقدرة. باختصار، يُرسم حد مدى صغر الكسر الزمني الذي يمكن أن ينضغط فيه الشوط داخل الثانية بواسطة مقاومة المواد والتزييت.
بنزين أم ديزل: الدورة نفسها، إشعال مختلف
خطوات الدورة رباعية الأشواط هي نفسها في المحركين؛ الفرق يكمن في طريقة الإشعال التي تبدأ شوط القدرة. محرك البنزين يعمل بإشعال شرارة: يشعل الشمع الخليط المضغوط. أما الديزل فيعمل بإشعال الانضغاط؛ فالحرارة العالية الناتجة عن الانضغاط تشعل وقود الديزل القابل للاشتعال تحت الضغوط داخل المحرك ذاتياً، فلا حاجة إلى شمع إشعال. يُعرَّف ميل الديزل للاشتعال بتصنيف السيتان (cetane)، وهو يعمل بمنطق معاكس تماماً لتصنيف الأوكتان في البنزين. ونظراً لانخفاض تطاير الديزل، فإن الطريقة الأكثر شيوعاً للتشغيل في البرد هي استخدام شمعة التوهج.
| الخاصية | محرك البنزين | محرك الديزل |
|---|---|---|
| الإشعال | إشعال شرارة (شموع الإشعال) | إشعال انضغاط (حرارة الانضغاط) |
| الدورة | دورة أوتو | دورة الديزل |
| قياس مقاومة الوقود | رقم الأوكتان | رقم السيتان |
| نسبة الضغط | النموذجية 6:1 - 10:1 | حرارة الضغط عالية ومناسبة للاشتعال |
| خصائص دوران المحرك | يعمل عند دورات أعلى | يعمل عند دورات أقل؛ الاحتراق أبطأ |
احتراق وقود الديزل ببطء أكبر من البنزين يفسر سبب عمل محركات الديزل عند دورات أقل؛ والدوران المنخفض يقلل من تآكل المحرك. لذلك فإن اختلاف طابع كلا المحركين لا ينشأ من الدورة نفسها، بل من سرعة احتراق الوقود.
كيف تحسّن التقنيات الحديثة هذه الدرجات الـ720؟
الدورة الأساسية لم تتغير منذ عام 1876؛ ما تغيّر هو مدى كفاءة استخدام كل شريحة مدتها 180 درجة. ثلاث إضافات حديثة تبرز بشكل واضح.
توقيت الصمامات المتغير (VVT)
عمود الكامات الثابت يُحسّن أحداث الصمامات لنطاق دوران واحد فقط. أما توقيت الصمامات المتغير فيضبط توقيت حدث رفع الصمام في الوقت الفعلي حسب دوران المحرك، مما يوفر توزيع قدرة مثالي وتسارعاً أكثر سلاسة. الإدارة الأفضل لخليط الهواء والوقود تحسّن كفاءة الاحتراق؛ وفي ظروف الحمل الجزئي حتى 5% تم قياس تحسن في اقتصاد الوقود.
الحقن المباشر (GDI)
في الحقن المباشر المستخدم في العديد من محركات البنزين رباعية الأشواط اليوم، يمتد فوهة الحاقن إلى غرفة الاحتراق، ويُرش البنزين إلى الأسطوانة بضغط مرتفع جداً أثناء شوط الضغط بينما المكبس في الأعلى. أي أن الوقود لم يعد يُسلّم في شوط السحب، بل في الشريحة الأكثر حرجية من الدورة، بدقة تُقاس بالمليمترات.
التوربو: سرقة الطاقة من شوط العادم
التوربوشارج هو مجموعة توربينية ثنائية الأجزاء عالية الدوران تقع عند مخرج العادم: جانب يغذّيه تدفق العادم، والجانب الآخر يضغط هواء السحب. شوط العادم يحمل طاقة تضيع في الغالب دون فائدة؛ ولأن التوربو يعمل بهذا الضغط فإنه يعمل بكفاءة أكبر، وبإجبار هواء أكبر إلى الأسطوانة يتيح استخلاص قدرة أكبر من كل شوط قدرة. في دراسة بتوربو متغير، تحسنت قدرة الإخراج بنسبة 165% مقارنة بالنوع بسحب الهواء الطبيعي. القصور المعروف في هذا التصميم هو تأخر التوربو: القدرة لا تأتي فوراً، بل يتطلب ذلك ارتفاع الدوران والضغط؛ وعند الوقوف وفي السرعات المنخفضة والمتوسطة يعمل المحرك تقريباً كسحب طبيعي.
سقف الكفاءة وموجزة تاريخية
محرك الاحتراق الداخلي يحوّل في المتوسط 40-45% فقط من الطاقة المزودة إلى عمل ميكانيكي؛ وتعمل أنظف محركات دورة أوتو كفاءة عند كفاءة حرارية نحو 30% وتُفقد الحرارة المتبقية في الاحتكاك والمُلحقات. علاوة على ذلك، يمكن بناء المحركات بكفاءة أقل قليلاً عن قصد من أجل أنظمة التحكم بالانبعاثات مثل المحول الحفزي. أما دورة أتكينسون فتحقق الكفاءة على حساب كثافة القدرة، وتُستخدم في التطبيقات الهجينة الحديثة؛ وتحقق العديد من المحركات الحديثة هذا الاقتصاد بتوقيت صمامات غير تقليدي لإنتاج تأثير ضغط قصير وشوط قدرة طويل.
التاريخ أيضاً درس تعليمي: لاحظ أوتو عام 1861 أثناء اختباره لمحرك لينوار تأثير الضغط على الكفاءة؛ وفي عام 1876 أنشأ أوتو ولانجن أول محرك احتراق داخلي ناجح يضغط خليط الوقود قبل الاحتراق. وفي عام 1883 أنتج دايملر ومايباخ أول محرك أوتو عالي السرعة، وفي عام 1885 أنتج دايملر بمركبته Reitwagen أول مركبة بمحرك احتراق داخلي في العالم؛ وفي عام 1886 طوّر كارل بنز مركبته ذات المحرك رباعي الأشواط التي تُعد أول سيارة. ومحرك الديزل صقل تقني لدورة أوتو لعام 1876: أنشأ رودولف ديزل محركه الناجح عام 1893. واليوم يُعد التصميم رباعي الأشواط أكثر بنية محرك احتراق داخلي انتشاراً في المركبات البرية، في مدى يمتد من السيارات إلى الشاحنات، ومن قطارات الديزل إلى الطائرات الخفيفة والدراجات النارية.
الخلاصة: أربعة أشواط بزاوية 180 درجة
يمكن اختزال كل فيزياء المحرك رباعي الأشواط في أربعة أجزاء مقسّمة على دورة 720 درجة لعمود المرفق: الامتلاء بالتفريغ، والضغط في حجم مغلق، والاحتراق المنتج للشغل مرة واحدة، والتطهير. وتخدم تقنيات توقيت الصمامات والحقن والتيربو هدفاً واحداً جميعها: استخلاص كفاءة أكبر من كل ميلي ثانية من هذه الأجزاء. وعندما تتضح هذه الأساسيات، يصبح بقية تكنولوجيا المحرك، من نسبة الضغط إلى تأخر التيربو، أكثر قابلية للفهم بكثير.