كيف يعمل المحرك رباعي الأشواط

ما الذي يعرضه النموذج

محرك السيارة عند 3,000 دورة في الدقيقة يُشعل كل أسطوانة 25 مرة في الثانية، وهذا أسرع بكثير من أن تراه العين. يُبطئ هذا النموذج المحرك حتى تتمكن من متابعة كل شوط، ثم يتيح لك تغييره: أسطوانات أكثر، ديزل بدل البنزين، توقيت صمامات مختلف، خانق أقل انفتاحًا.

الأسطوانة 1 مرسومة بكل تفاصيلها ومقطوعة من المنتصف حتى يظهر داخلها. الأسطح الحمراء هي أوجه القطع في الكتلة والرأس وحوض الزيت. وكل ما يتحرك معروض كاملًا: المكبس وحلقاته، وذراع التوصيل، وعمود المرفق بأثقاله الموازنة، والصمامان بنابضيهما، وعمودا الكامات، وسير التوقيت، والحدافة. وحولها القطع التي تُبقي المحرك حيًّا: قميص الماء، وحشية الرأس، والمحامل الرئيسية، ومضخة الزيت، والخانق، وحاقن الوقود، والمحول الحفاز. هذه 24 قطعة لها أسماء في قائمة القطع.

الأبعاد هي أبعاد أسطوانة واحدة من محرك شائع سعته لتران وله أربع أسطوانات: قطر تجويف 86 mm، وشوط 86 mm، ونسبة انضغاط 10 إلى 1. تكنس الأسطوانة الواحدة 499.6 سنتيمترًا مكعبًا، وتبلغ الأربع معًا 1,998 cc. تعرض لوحة القراءات في الزاوية زاوية المرفق، والشوط الذي تمر به الأسطوانة 1، وحجم الغاز فوق المكبس، وضغطًا محسوبًا بالنموذج داخل الأسطوانة، وتحتها حلقة الضغط والحجم ومنحنى العزم.

لماذا تستغرق الدورة الواحدة لفتين من عمود المرفق

يحتاج المحرك رباعي الأشواط إلى أربع حركات للمكبس، أي لفتين كاملتين من عمود المرفق، لإتمام دورة واحدة. وبحسب العرف تُقاس الدورة بدرجات المرفق من 0° إلى 720°، بدءًا من وجود المكبس في أعلى مشواره، وهو ما يسمى النقطة الميتة العليا.

1. السحب (من 0° إلى 180°). صمام السحب مفتوح والمكبس يهبط. يكبر الحيز فوقه، وينخفض الضغط قليلًا تحت ضغط الهواء الخارجي، فيتدفق خليط الهواء والوقود عبر منفذ السحب. وهو في النموذج تيار النقاط الزرقاء.
2. الانضغاط (من 180° إلى 360°). الصمامان مغلقان. يصعد المكبس ويضغط الخليط إلى عُشر الحجم الذي كان يملؤه في القاع. والضغط يسخّنه ويرفع ضغطه، فيصبح الاحتراق القادم أكثر فاعلية بكثير. تتحول النقاط إلى البنفسجي كلما تراصّت.
3. القدرة (من 360° إلى 540°). قبل القمة بقليل تقدح شمعة الإشعال. تنتشر جبهة اللهب من الشمعة خلال بضعة أجزاء من ألف من الثانية، ويتضاعف الضغط عدة مرات فيدفع المكبس إلى الأسفل. هذا هو الشوط الوحيد الذي يبذل فيه الغاز شغلًا على المكبس. راقب نصف الكرة البرتقالي يكبر من الشمعة.
4. العادم (من 540° إلى 720°). يُفتح صمام العادم قرب القاع، فيندفع الضغط المتبقي إلى الخارج، ويدفع المكبس الصاعد بقية الغاز المحترق إلى منفذ العادم. تغادر النقاط الرمادية من اليمين.

ثم يُفتح صمام السحب من جديد وتتكرر الدورة. تعطي الأسطوانة شوط قدرة واحدًا لكل لفتين: عند 3,000 دورة في الدقيقة يعني ذلك 25 شوط قدرة في الثانية، يدوم كل منها 10 أجزاء من ألف من الثانية فقط.

ماذا تفعل كل قطعة

المكبس والحلقات. المكبس كأس خفيفة من الألومنيوم تنزلق في التجويف بخلوص لا يتجاوز بضعة أجزاء من مئة من المليمتر. ثلاث حلقات في مجارٍ قرب أعلاه تتولى الإحكام: العلويتان تحبسان ضغط الغاز، والسفلى تكشط الزيت عن جدار الأسطوانة. ويربطه بذراع التوصيل مسمار مكبس فولاذي قطره 21 mm.

ذراع التوصيل وعمود المرفق. يربط الذراع مسمار المكبس بمسمار مرفق يبعد 43 mm عن محور عمود المرفق. عندما يدور العمود يرسم المسمار دائرة ويتحرك المكبس 86 mm، أي ضعف نصف قطر المرفق. والأذرع الثقيلة المقابلة للمسمار أثقال موازنة توازن الكتلة الدوّارة. ويدور عمود المرفق في محامل رئيسية: قشور رقيقة مبطنة بمعدن لين. وأثناء دوران المحرك يطفو المحور على طبقة من الزيت ولا يلمسها أبدًا.

الحدّافة. ثلاثة أشواط من كل أربعة تأخذ طاقة بدل أن تعطيها. الحدافة قرص ثقيل يخزّن الطاقة أثناء شوط القدرة ويعيدها في الأشواط الأخرى، فيبقى عمود المرفق دائرًا.

الصمامات والنوابض وعمودا الكامات. كل صمام قطعة فولاذية على شكل فطر يُبقيها النابض مغلقة. وتدفعها كامة على عمود الكامات لتفتحها عبر تابع على شكل كأس يسمى الدلو. شكل الكامة يحدد متى يُفتح الصمام، وإلى أي حد، وكم يبقى مفتوحًا. في هذا النموذج يرتفع كل صمام 9.2 mm، ورُسمت الكامات من منحنى الرفع نفسه الذي يحرك الصمامات.

سير التوقيت. يدير عمود المرفق عمودي الكامات عبر سير مسنن. لترس المرفق 21 سنًا ولكل بكرة كامات 42، فيدور عمودا الكامات مرة واحدة تمامًا لكل لفتين من المرفق. كل صمام يُفتح مرة في الدورة، والدورة تستغرق لفتين من المرفق، فلا يمكن أن تكون النسبة غير ذلك.

التبريد والتزييت. شغّل «سائل التبريد والزيت». يصعد سائل التبريد (الأزرق) في قميص الماء بجانب التجويف، ويمر فوق غرفة الاحتراق، وينقل الحرارة إلى المشعاع. وحشية الرأس، وهي صفيحة فولاذية رقيقة متعددة الطبقات، تفصل الغاز وسائل التبريد والزيت حيث يلتقي الرأس بالكتلة. أما الزيت (الكهرماني) فتسحبه مضخة الزيت من الحوض عبر مصفاة وترسله إلى المحامل الرئيسية، ثم ينساب عائدًا إلى الأسفل.

الخانق والحاقن. في محرك البنزين، الخانق صمام فراشة في مجرى السحب. إغلاقه يخفض ضغط الهواء الداخل، وبهذا يطلب السائق قدرة أقل. ويرش حاقن المنفذ الوقود على ظهر صمام السحب المغلق، ويمكنك أن ترى الرشة القصيرة قبل أن يُفتح السحب مباشرة.

أسطوانة واحدة أو ثمانٍ

حرّك منزلق «الأسطوانات». تظهر الأسطوانات الإضافية كأشباح شفافة على عمود المرفق نفسه، وهي تتبع فعلًا أذرع مرفقها وترتيب إشعالها.

الأسطوانة الواحدة تعطي دفعة واحدة كل لفتين، فيتأرجح العزم على عمود المرفق بشدة: موجب بقوة في شوط القدرة، وسالب قليلًا بينما يضغط المكبس الشحنة التالية. يرسم منحنى العزم في لوحة القراءات عزم الغاز الكلي خلال لفتين، مع خط متقطع عند المتوسط. والرقم في أعلى اليمين هو التأرجح، أي الفرق بين أعلى عزم وأدناه مقسومًا على المتوسط.

يُحسب التأرجح من منحنى ضغط النموذج بقوى الغاز وحدها. وهو لا يشمل قصور المكابس الذاتي، الذي يهم كثيرًا عند السرعات العالية، ولهذا يهتم المهندسون بالاتزان إلى جانب فواصل الإشعال. فالمحرك الخطي الرباعي مثلًا يشتعل بانتظام، لكنه مع ذلك يهتز صعودًا وهبوطًا مرتين في كل لفة، لأن مكابسه لا تتحرك وفق موجة جيبية تامة. ولهذا تحمل كثير من المحركات الرباعية الكبيرة أعمدة موازنة.

في لوحة التحكم مخطط أعمدة لتأرجح كل ترتيب. انقر على شريط للانتقال إلى ذلك الترتيب.

بنزين أو ديزل

شغّل «ديزل». تتغير ثلاثة أشياء في النموذج.

أولًا، يرتفع رأس المكبس 4.5 mm، فيتقلص الحيز فوق المكبس عند القمة من 55.5 cc إلى 29.4 cc. وتصبح نسبة الانضغاط 18:1 بدل 10:1. ثانيًا، لا توجد شمعة إشعال. الهواء وحده يُضغط بشدة حتى يبلغ عدة مئات من الدرجات، وهي حرارة تكفي لإشعال وقود الديزل لحظة رشه. ثالثًا، ينتقل الحاقن إلى وسط الرأس ويرش مباشرة داخل الأسطوانة قبل القمة بنحو 10°. يحترق الوقود لحظة دخوله، فيبدأ الاحتراق بهدوء أكبر من شرارة البنزين ويدوم مدة أطول.

ليس في محرك الديزل صفيحة خانق بالمعنى المعتاد. فهو يسحب دائمًا أسطوانة ممتلئة بالهواء ويتحكم في القدرة بحقن وقود أكثر أو أقل. وفي النموذج يغيّر منزلق الخانق كمية الوقود في وضع الديزل وضغط السحب في وضع البنزين. وهذا الفرق أحد أسباب أن الديزل يهدر طاقة أقل عند الحمل الجزئي: فمحرك البنزين الذي يعمل بهدوء عليه أن يسحب شحنته عبر خانق شبه مغلق، وضخ الهواء عبر هذا التضييق يكلّف شغلًا.

إلى أي حد يمكن أن يكون كفؤًا؟

الدورة المثالية لمحرك البنزين هي دورة أوتو: انضغاط وتمدد بلا فقد للحرارة، وكل الحرارة تُضاف دفعة واحدة عند القمة. وكفاءتها لا تعتمد إلا على نسبة الانضغاط r ونسبة السعة الحرارية للغاز γ:

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

مع الهواء (γ = 1.4) و r = 10 تعطي 60.2 %. وعند 14:1، وهي نسبة محركات البنزين SKYACTIV-G من Mazda خارج الولايات المتحدة، ترتفع إلى 65.2 %. أما دورة الديزل المثالية فتضيف الحرارة على امتداد جزء من الشوط بدل أن تضيفها دفعة واحدة؛ ومع r = 18 ونسبة قطع 2 تعطي 63.2 %. الانضغاط الأعلى هو الميزة الرئيسية للديزل. ولا يستطيع محرك البنزين أن يتجاوز كثيرًا 10 إلى 14:1، لأن الخليط الساخن سينفجر من تلقاء نفسه قبل الشرارة، وهو ما يسمى الطرق.

يستخدم سطر «الكفاءة المثالية» في لوحة القراءات هذه الصيغ. ويعرض المختبر في لوحة التحكم أيضًا كفاءة النموذج: الشغل المبذول في حلقة الضغط المحسوبة مقسومًا على الحرارة المنطلقة فيها. مع الإعدادات الافتراضية تبلغ نحو 48 % للبنزين ونحو 51 % للديزل، وتهبط إلى 36 % للبنزين عند ربع الخانق بينما يبقى الديزل قرب 50 %. والمحركات الحقيقية تفقد أكثر: تتسرب الحرارة إلى الجدران، والاحتراق ليس لحظيًا، والاحتكاك ومضختا الزيت والماء تأخذ نصيبها. وفي القيادة المعتادة تقدّر وزارة الطاقة الأمريكية أن نحو 12 إلى 30 % فقط من الطاقة في وقود السيارة التقليدية ينتهي بتحريكها على الطريق، بحسب نوع القيادة.

توقيت صمامات يمكنك سحبه

لو فُتحت الصمامات وأُغلقت تمامًا عند النقطتين الميتتين العليا والسفلى، لتنفّس المحرك تنفسًا سيئًا عند السرعة العالية، لأن للغاز كتلة ويحتاج إلى وقت ليبدأ الحركة ويتوقف. لذلك تفتح المحركات الحقيقية الصمامات مبكرًا وتغلقها متأخرة. يبدأ هذا النموذج بأرقام نموذجية:

إغلاق السحب متأخرًا يترك عمود الهواء المتحرك يواصل الاندفاع إلى الأسطوانة بعد أن يبدأ المكبس صعوده. وفتح العادم مبكرًا يترك الضغط العالي ينفّس قبل أن يضطر المكبس إلى الدفع ضده. وحول النقطة الميتة العليا في نهاية شوط العادم يكون الصمامان مفتوحين قليلًا معًا مدة 20°؛ وهذا التداخل يسمح للعادم الخارج بأن يساعد على سحب الشحنة الجديدة.

الدائرة في لوحة التحكم مخطط لتوقيت الصمامات. النقطة الميتة العليا في الأعلى، واللفة الواحدة حولها لفة واحدة للمرفق. القوس الأزرق هو مدة انفتاح السحب، والقوس الرمادي للعادم. اسحب أيًّا منهما حول الدائرة، أو استخدم الأزرار تحتها. هذا ما يفعله مغيّر طور الكامة في المحرك الحقيقي: يدير عمود الكامات بضع درجات بالنسبة إلى بكرته، فيُفتح الصمام ويُغلق مبكرًا أو متأخرًا بينما تبقى مدة الانفتاح كما هي. وعمودا الكامات في النموذج 3D يدوران مع إعدادك.

ثلاثة أرقام تتغير أثناء السحب. التداخل هو الإسفين المظلل في الأعلى. ونسبة الانضغاط الفعلية هي الحجم لحظة إغلاق السحب مقسومًا على أصغر حجم، فإغلاق السحب متأخرًا يخفضها. والمحركات المصممة لدورة أتكنسون أو ميلر تفعل ذلك عن قصد، لتعمل بنسبة تمدد عالية دون طرق. وكفاءة النموذج تتبع حلقة الضغط: فتح العادم مبكرًا يهدر ضغطًا كان لا يزال قادرًا على دفع المكبس، فتنخفض الكفاءة.

الخانق والسرعة والعزم والقدرة

المخطط الثاني في المختبر يرسم العزم والقدرة مقابل سرعة المحرك. الخط الأسود هو العزم عند الخانق الذي تضبطه، والخط البرتقالي القدرة المقابلة. والشرطات الرمادية تبيّن الخانق المفتوح بالكامل. والخط المنقّط حمل يشبه حمل الطريق يزداد مع السرعة، والنقطة الحمراء تقع حيث يلتقي عزم المحرك بالحمل. تلك هي السرعة التي سيستقر عندها المحرك. أغلق الخانق فتنزلق النقطة إلى سرعة أدنى، وبهذا يتحكم السائق في السيارة.

يأتي العزم من شغل دورة النموذج: أسطوانة تبذل 625 جولًا من شغل الغاز في كل دورة تعطي 625 / 4π ≈ 50 نيوتن متر في المتوسط خلال لفتين. ويتغير التنفس مع السرعة (أفضل قرب سرعة متوسطة تنتقل مع توقيت الصمامات)، ويزداد الاحتكاك مع السرعة، فيبلغ العزم ذروته في الوسط بينما تواصل القدرة الارتفاع حتى قرب الحد الأعلى. القدرة هي العزم مضروبًا في السرعة الزاوية: P = T × 2πN / 60. كل هذه المنحنيات قيم للنموذج غرضها إظهار الأشكال، وليست ورقة قياس من جهاز دينامومتر.

شوطان بدل أربعة

شغّل «مقارنة بثنائي الأشواط». يظهر على المسرح رسم لأسطوانة ثنائية الأشواط على عمود المرفق نفسه. ليس فيها صمامات. المكبس نفسه يكشف منفذ عادم ومنفذ نقل في جدار الأسطوانة قرب أسفل مشواره. والشحنة الجديدة، المضغوطة قليلًا مسبقًا في علبة المرفق تحت المكبس، تندفع عبر منفذ النقل وتدفع الغاز المحترق خارجًا من العادم. لذلك يكون كل شوط هابط شوط قدرة، ويشتعل المحرك مرة في كل لفة.

الخط البرتقالي في منحنى العزم هو عزم المحرك ثنائي الأشواط. فهو يشتعل ضعف عدد المرات، لكن كل دورة تبذل في النموذج شغلًا أقل (نحو النصف)، لأن المنافذ تبقى مفتوحة جزءًا كبيرًا من الشوط ويهرب بعض الشحنة الجديدة مباشرة من العادم. وهذا الوقود الضائع هو سبب أن المحركات الصغيرة ثنائية الأشواط خفيفة وبسيطة لكنها ملوِّثة، وسبب انتقال معظم مركبات الطرق إلى أربعة أشواط. أما محركات الديزل الكبيرة البطيئة ثنائية الأشواط في السفن فتحل المشكلة بالنوافخ وصمامات العادم، وهي من أكفأ المحركات التي صُنعت.

محركات حقيقية

يضبط دليل المحركات ترتيب النموذج ووقوده وحجم أسطواناته على محرك حقيقي. تُرسم الأسطوانات بالحجم الصحيح، عدا الأكبر منها التي تُصغّر وتُميّز بملاحظة. أما نسبة الانضغاط والضغوط فتبقى قيمًا للنموذج.

لا تُذكر القدرة إلا حيث تأكد تصنيف واحد للإصدار المذكور. وقد بيع عدد من هذه المحركات بأكثر من تصنيف.

الأرقام محسوبة

قراءة حلقة الضغط والحجم

يرسم المخطط الصغير في لوحة القراءات ضغط الأسطوانة مقابل الحجم مع دوران المرفق. محوره الرأسي لوغاريتمي حتى يتسع المخطط الواحد لضغط السحب المنخفض وذروة الاحتراق العالية معًا. والمساحة التي تحيط بها الحلقة تتناسب مع الشغل الذي يبذله الغاز على المكبس في دورة واحدة. أغلق الخانق وراقب الحلقة تنكمش والخط السفلي ينزل تحت الضغط الجوي: الحلقة الصغيرة المعكوسة في الأسفل هي شغل الضخ.

الضغط هنا نموذج مبسط، وليس قياسًا. يتبع الانضغاط والتمدد العلاقة متعددة الانتحاء pVⁿ = ثابت مع n = 1.32، ويتبع انطلاق الحرارة منحنى احتراق ناعمًا على شكل حرف S يبدأ عند الشرارة ويدوم 55 درجة من درجات المرفق، مما يضع ذروة تبلغ نحو 51 bar عند 20° بعد النقطة الميتة العليا والخانق مفتوح بالكامل.

تنظيف العادم

يخلّف احتراق البنزين في الهواء ثلاثة ملوثات رئيسية: أول أكسيد الكربون، والهيدروكربونات غير المحترقة، وأكاسيد النيتروجين. والمحول الحفاز في أنبوب العادم قرص عسل خزفي مطلي بالبلاتين والبلاديوم والروديوم. وهو في سيارة البنزين محفز ثلاثي الاتجاه: يؤكسد أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات إلى ثاني أكسيد الكربون وماء، ويختزل أكاسيد النيتروجين إلى نيتروجين. ولا ينجح في الثلاثة معًا إلا إذا عمل المحرك قريبًا جدًا من الخليط الصحيح كيميائيًا، ولهذا تحمل محركات البنزين حساس أكسجين في العادم. أما محركات الديزل فتعمل بهواء فائض، فتستخدم محفز أكسدة، ومرشح جسيمات للسخام، ونظامًا منفصلًا لأكاسيد النيتروجين.

من أين جاء المحرك رباعي الأشواط

كانت محركات الاحتراق الداخلي التي تسحب خليطًا وتشعله دون أن تضغطه أولًا قد صُنعت بالفعل بحلول عقد 1860، لكنها كانت قليلة الكفاءة. وفي عام 1876 صنع نيكولاس أوتو في ألمانيا أول محرك عملي يضغط شحنته قبل إشعالها، مستخدمًا الدورة رباعية الأشواط المعروضة هنا. ولهذا ما زالت دورة البنزين المثالية رباعية الأشواط تسمى دورة أوتو. وفي عقد 1890 طوّر رودولف ديزل المحرك الذي يشعل وقوده بالانضغاط وحده.

من عمل الغاز إلى الكيلوواط: مثال محلول

يعطي النموذج كل أسطوانة نحو 625 جولًا من عمل الغاز في الدورة عند الحمل الكامل. كل ما يلي ينبع من هذا الرقم الواحد، وتصلح الخطوات نفسها لأي محرك يمكن قراءة ورقة مواصفاته.

1. عمل الدورة لأربع أسطوانات. نضرب 4 في 625 J. فيكون الناتج 2500 J.
2. متوسط العزم. الدورة الواحدة لفّتان، أي 4π راديان. نقسم 2500 J على 4π فنحصل على نحو 199 N·m. هذا متوسط الدورة، ومنحنى العزم في اللوحة يتأرجح حوله.
3. القدرة عند 3000 rpm. القانون هو P = 2πNT / 60. نعوّض: 2π × 3000 × 199 / 60. الناتج نحو 62.5 kW. والطريق المختصر يعطي الشيء نفسه: 2500 J في الدورة × 25 دورة في الثانية = 62,500 W.
4. متوسط الضغط الفعّال. نقسم عمل الدورة على الحجم المكتسح. نقسم 2500 J على 1.998 لتر. الناتج 1.25 MPa، أي نحو 12.5 bar. هذا هو الضغط الثابت الذي لو عمل على المكبس طوال شوط القدرة لأنجز العمل نفسه. وهو لا يعتمد على سعة المحرك، فيصلح لمقارنة محركات مختلفة الحجم.
5. القدرة لكل لتر. نقسم 62.5 kW على 1.998 L فنحصل على نحو 31 kW لكل لتر.

يُبقي النموذج العزم ثابتًا هنا للتبسيط. في المحرك الحقيقي يتغير العزم مع السرعة، فلا تكون القدرة عند 6000 rpm ضعف ما سبق تمامًا. غرض المثال إظهار سلسلة الوحدات: الجول في الدورة يصبح نيوتن متر، والنيوتن متر مضروبًا في الراديان في الثانية يصبح واط.

يُظهر دليل المحركات كم يمكن أن تختلف القدرة لكل لتر. من القدرات المقدّرة في الجدول أعلاه، يعطي ديزل Toyota 1GD-FTV نحو 130 kW من 2755 cc، أي نحو 47 kW لكل لتر. ويعطي Volkswagen EA888 2.0 TSI نحو 162 kW من 1984 cc، أي نحو 82 kW لكل لتر، ويعطي Honda K20C1 نحو 228 kW من 1996 cc، أي نحو 114 kW لكل لتر. هذه قيم مقدّرة عند سرعة واحدة لنسخة واحدة، والمحركات ذات الشاحن التوربيني تبلغها بدفع هواء أكثر في الأسطوانات نفسها، لا بقطر أكبر أو شوط أطول.

نسبة الانضغاط والفرقعة والوقود

تكافئ صيغة الكفاءة η = 1 − 1/r^(γ−1) نسبة الانضغاط الأعلى، لكن بعائد متناقص. مع γ = 1.4:

الانتقال من 8 إلى 10 يضيف 3.7 نقطة مئوية. ومن 12 إلى 14 يضيف 2.2 فقط. ينبسط المنحنى، وكل وحدة انضغاط إضافية تعطي أقل.

والمحركات الحقيقية تقل كثيرًا عن هذه الأرقام. فالغاز داخل المحرك ليس هواءً بـ γ = 1.4، إذ إن للخليط المحترق نسبة سعات حرارية أقل. ومع γ = 1.3 تعطي الصيغة نفسها 49.9 % فقط عند 10:1. وقيمة النموذج بالإعدادات الافتراضية، نحو 48 %، في المجال نفسه. ويخفض فقد الحرارة إلى الجدران والاحتكاك القيمة الفعلية أكثر، إلى نحو 30 إلى 40 % في أفضل الحالات لمحركات الإنتاج.

ما يمنع محركات البنزين من رفع النسبة ببساطة هو الفرقعة. يقيس رقم الأوكتان قدرة الوقود على مقاومة الفرقعة، وهي اشتعال جزء من الخليط المضغوط قبل أن يصله اللهب. النسبة الأعلى تجعل الغاز الأخير أسخن وأكثف، فيلزم وقود يقاوم الاشتعال الذاتي. لهذا يذكر دليل المالك أي أوكتان تملأ: فقد صُمم المحرك له. ويمكن للمحركات الأحدث تأخير الشرارة عند اكتشاف الفرقعة، فيحميها ذلك لكنه يكلّف قدرة واستهلاكًا. أما ديزل النموذج فيتجنب المشكلة بضغط الهواء وحده وحقن الوقود بعد ذلك.

مفاهيم خاطئة شائعة

«المحرك ينفجر في كل شوط.» شوط واحد فقط من أربعة يعمل على المكبس. في الأسطوانة الواحدة تأخذ الأشواط الثلاثة الأخرى طاقة من الحدّافة. ارفع منزلق «الأسطوانات» وراقب ترتيب الإشعال: في الثماني أسطوانات تتتابع أشواط القدرة كل 90°، فتبدو متصلة.

«العزم والقدرة شيء واحد.» العزم قوة الفتل على عمود المرفق. والقدرة هي العزم مضروبًا في سرعة الدوران. قد يبلغ المحرك أعلى عزم عند سرعة متوسطة وأعلى قدرة عند سرعة أعلى بكثير، وهذا ما يظهره المنحنيان في مخطط السرعة.

«أسطوانات أكثر تعني قدرة أكبر دائمًا.» تعتمد القدرة على الهواء الذي يستطيع المحرك حرقه في الثانية: السعة والسرعة وكمية الهواء المحشورة في كل أسطوانة. قد يتفوق محرك صغير بثلاث أسطوانات وشاحن في القائمة على محرك أكبر بلا شاحن. الأسطوانات الأكثر تجعل العزم أنعم أساسًا وتتيح أسطوانات أصغر، كما يبين عمود التأرجح.

«إغلاق الخانق ينجز العمل نفسه بوقود أقل.» يدخل الأسطوانة هواء أقل ويُقاس الوقود وفقًا لذلك. والثمن هو عمل الضخ: على المكبس أن يسحب الهواء عبر صمام شبه مغلق. والحلقة الصغيرة المعكوسة في مخطط الضغط والحجم هي هذه الخسارة.

«أوكتان أعلى يعني قدرة أكبر.» رقم الأوكتان يصف مقاومة الفرقعة، لا الطاقة التي يحملها الوقود. المحرك الذي لا يفرقع بالدرجة الأدنى لا يكسب شيئًا من الأعلى، والمتّبع هو توصية الشركة المصنّعة.

جرّب على الشاشة

• تحقق من المثال. اختر أربع أسطوانات وبنزينًا وحملًا كاملًا. الخط المتقطع في مخطط العزم هو متوسط العزم، ومخطط السرعة في المختبر يرسم القدرة المقابلة. قارن شكليهما بالخطوات أعلاه.
• قارن الحلقتين. شغّل «ديزل» وأطفئه، وقارن حلقة الضغط والحجم ونسبة الانضغاط وسطر «الكفاءة المثالية». تتغير النسبة من 10:1 إلى 18:1.
• راقب الانضغاط الفعلي. في دائرة توقيت الصمامات، اسحب قوس السحب نحو وقت أبعد، واقرأ «الانضغاط الفعلي» وكفاءة النموذج وهما تتغيران.
• شاهد خسارة الضخ. اخفض الخانق في البنزين وانظر إلى الحلقة الصغيرة المعكوسة أسفل مخطط الضغط والحجم، وإلى كفاءة النموذج التي تنزل إلى نحو 36 % عند ربع الخانق.
• قارن محركات بأحجام مختلفة. اختر مدخلين من دليل المحركات، مثل Honda GX160 وGM LS3، وقارن رسمي الأسطوانات وقيمة cc لكل أسطوانة في الملاحظة أسفل القائمة.

ثلاثون محركًا، من 1876 إلى سفينة حاويات

يضم الدليل في تبويب «التحكم» الآن ثلاثين محركًا. يمكن البحث بالاسم أو التصفية إلى ما قبل 1950، والسيارات والدراجات النارية والمحركات الصغيرة والشاحنات والسباقات والسفن، وإلى الإشعال بالشرارة أو الديزل. يضبط الاختيار ترتيب النموذج ووقوده وحجم الأسطوانة، فيكبر الرسم من أسطوانة جزازة عشب إلى أسطوانة سفينة.

يحتاج محركان إلى توضيح. يرسم النموذج V6 بزاوية 60°، بينما محرك فورمولا 1 بزاوية 90°، فالترتيب قريب وليس مطابقًا. قطر أسطوانات السفينة 960 mm، أي أكثر من أحد عشر ضعف قطر النموذج. لذلك تُرسم بضعف حجم النموذج مع بيان ذلك، وتبقى أرقام القراءة بالحجم الحقيقي. لا تذكر وثيقة Wärtsilä الكفاءة كنسبة مئوية، بل تُحسب من الوقود: 171 غرامًا لكل كيلوواط ساعة، ووقود يحوي 42.7 MJ لكل كيلوغرام، تعطي 3,600 ÷ (0.171 × 42,700) = 49.3 %. محرك السفينة ثنائي الأشواط، واختياره يفتح مقارنته أيضًا.

لا تستطيع الأسطوانة الأكبر الدوران بالسرعة نفسها. يحد المحركَ مدى سرعة حركة المكبس، لذلك يحافظ النموذج على متوسط سرعته عند تكبير الأسطوانة. في حجم النموذج، تعطي 7,000 rpm مع شوط 86 mm متوسطًا قدره 20.1 m/s. عند التكبير 15 مرة، كما للسفينة، لا تسمح سرعة المكبس نفسها إلا بنحو 300 rpm. يدور المحرك الحقيقي عند 102 rpm لأن شوطه يبلغ 2.6 ضعف قطره، فيكون متوسط سرعة المكبس 8.5 m/s، كما في جدول Wärtsilä.

السرعة الحقيقية ثم الحركة البطيئة

يكشف زر «تشغيل عند 3,000 rpm» ما يخفيه النموذج غالبًا. عند 3,000 rpm يدور المرفق 50 مرة في الثانية، وتشتعل كل أسطوانة 25 مرة، ويستغرق الشوط 10 أجزاء من ألف من الثانية. على شاشة 60 Hz يتحرك المرفق 300 درجة بين صورتين، فتبدو القطع متقطعة الحركة أو كأنها تدور للخلف. هذا هو الأثر الاصطرابي نفسه الذي يعكس دوران العجلات في الأفلام. بعد ثلاث ثوان يتباطأ النموذج خلال 3.5 ثانية إلى 6 rpm، فتصبح الأشواط سهلة المتابعة مجددًا ويعرض الشريط شوط الأسطوانة 1. مع تشغيل الصوت، تندمج الضربات في أزيز عند السرعة الكاملة ثم تنفصل عند التباطؤ.

الانضغاط والفرقعة وتأخير إغلاق السحب

يغيّر منزلق الانضغاط نسبة محرك البنزين من 6:1 إلى 15:1. ترفع النسبة الأعلى كفاءة النموذج (47.6 % عند 10:1)، لأن الغاز يتمدد أكثر بعد احتراقه. لكنها تضغط الخليط غير المحترق أكثر أيضًا. إن سخن طرف الشحنة وازدادت كثافته بما يكفي، اشتعل ذاتيًا قبل وصول لهب الشمعة، واصطدمت موجتا الضغط. هذه هي الفرقعة: رنين معدني وضغط أقصى عالٍ، وتلف للمكابس في المحرك الحقيقي.

تعتمد الفرقعة على الوقود والحرارة وشكل الحجرة وتوقيت الشرارة. يستخدم النموذج قاعدة بسيطة يعلنها على الشاشة: تحدث عندما يتجاوز ضغط نهاية الانضغاط 20.5 bar. مع التوقيت الأصلي يقع الحد قرب 11:1 ‏(20.2 bar، بلا فرقعة)، أما 12:1 فتصل إلى 22.7 bar وتفرقع.

هناك مخرج. إذا تأخر إغلاق السحب، يُدفع جزء من الشحنة إلى مجرى السحب قبل الإغلاق، فيكون الانضغاط الفعلي أقل مما توحي به النسبة الهندسية. بتأخير السحب 40°، تنهي نسبة 13.5:1 الانضغاط عند 17.9 bar تحت الحد، وترتفع كفاءة النموذج إلى 50.9 %. يظل التمدد يستخدم كامل 13.5:1. هذه فكرة دورتي أتكينسون وميلر: انضغاط قصير وتمدد طويل. يعمل بها Toyota 2ZR-FXE في بريوس، وتعلن Mazda وToyota نسبتي 13 و14 إلى 1 لمحركات البنزين الأحدث.

الشحن التوربيني وعودة الفرقعة

يظهر الشاحن بجوار أنبوب العادم عند تركيبه. تدير غازات العادم عجلة التوربين، وتدفع عجلة الضاغط على العمود نفسه الهواء إلى السحب. يسمح الهواء الإضافي بحرق وقود أكثر وقدرة أكبر من السعة نفسها. تصف وزارة الطاقة الأمريكية الشواحن بأنها ضواغط تدفع هواء إضافيًا إلى الأسطوانات وتسمح بحقن وقود أكثر، وتذكر تحسنًا في الاقتصاد بالوقود يصل إلى 8 % عند جمع الشحن مع محرك أصغر.

يضيف منزلق الشحن ضغطًا فوق ضغط الخارج. في النموذج، يرفع شحن 0.9 bar للأسطوانة الواحدة القدرة القصوى من 19.1 kW إلى 29.4 kW. والثمن فرقعة: يرتفع ضغط نهاية الانضغاط مع الشحن، فيبلغ 0.6 bar عند 10:1 بالفعل 29.1 bar. تعالج محركات البنزين المشحونة ذلك بنسبة أقل وتأخير إغلاق السحب وتبريد الهواء والحقن المباشر. في النموذج يعمل 0.9 bar بلا فرقعة عند 8:1 مع إغلاق السحب متأخرًا 40° ‏(18.1 bar). لا يواجه الديزل هذا الحد، لأن وقوده لا يُحقن إلا عند احتراقه.

تحديات على المشهد

تفحص قائمة «تحديات» في «التحكم»، التي تُفتح أيضًا من الشارة على المشهد، عملك على النموذج. عددها أحد عشر: زيادة القدرة القصوى 5 % على الأقل بتوقيت الكامات (أفضل ضبط جرى التحقق منه، تقديم السحب 15° وتأخير العادم 30°، يعطي 10.7 %)، وبلوغ 13:1 بلا فرقعة، وتحديد ترتيب V8، ورؤية تفوق الديزل بالحمل الجزئي (50.7 % مقابل 43.6 % عند نصف الخانق)، وإيجاد أنعم ترتيب، والتشغيل بالسرعة الحقيقية، ومقارنة شوطين بأربعة، وإيجاد الأعلى كفاءة والأقدم في الدليل، والشحن إلى 0.8 bar بلا فرقعة، وفتح كل المشاهد المقرّبة. تبقى علامات الحل عند العودة.

«لحظي» و«متوسط» في القراءات

تجمع القراءة نوعين من الأرقام، ولكل منهما وسم. عزم الغاز «لحظي» هو تأثير الغاز في تدوير المرفق عند زاويته الحالية. يتأرجح من قيم سالبة في الانضغاط إلى مئات نيوتن متر بعد الشرارة مباشرة، لذا فإن ضربه في السرعة لا يعطي قدرة ذات معنى. العزم والسرعة والقدرة الموسومة «متوسط» متوافقة: هي المتوسط على دورة كاملة بعد الاحتكاك وتبادل الغازات، عند سرعة اتزان المحرك مع الحمل. بضرب ذلك العزم في السرعة بالراديان في الثانية تحصل على قدرة السطر نفسه.

مشاهد مقرّبة

تنتقل الأزرار إلى قطعة وتوقف المرفق في موضع عملها: مسمار المرفق عند 90°، وكامة السحب عند الرفع الكامل، والصمامان مفتوحان قرب النقطة الميتة العليا، والمكبس في الانضغاط، والشرارة قبل القمة، وحاقن الديزل عند بدء الحقن، والشاحن. يفصل «تفكيك» الأجزاء المصبوبة عن المتحركة، فيظهر المكبس وذراع التوصيل والمرفق يعملون وحدهم.