الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2025-12-24 المنشأ:محرر الموقع
بدءًا من سيارة السيدان المدمجة في طريقك إلى المولدات الضخمة التي تعمل على تشغيل المواقع الصناعية، يعمل محرك الدورة رباعي الأشواط (الذي يُطلق عليه غالبًا دورة أوتو) بمثابة العمود الفقري لتوليد الطاقة الحديثة. وبينما تتصدر المحركات الكهربائية عناوين الأخبار، فإن محركات الاحتراق الداخلي التي تعتمد على هذه البنية رباعية المراحل لا تزال تقود الغالبية العظمى من وسائل النقل العالمية والآلات الثقيلة. إنه ليس مجرد معيار ميكانيكي؛ إنه الحل المهيمن لتوصيل عزم الدوران الموثوق والفعال.
لماذا فاز هذا التصميم في الحرب ضد البنى المنافسة؟ الجواب يكمن وراء التعريفات البسيطة. على الرغم من وجود تصميمات أبسط، إلا أن محرك الدورة رباعي الأشواط ينتصر من خلال التوازن الفائق بين الكفاءة الحرارية والتحكم في الانبعاثات وطول العمر. فهو يعطي الأولوية للاحتراق المتحكم به على كثافة الطاقة الخام، مما يوفر ميزة مميزة في التطبيقات التي تتطلب المتانة.
يتجاوز هذا الدليل الميكانيكا الأساسية. سنقوم بتقييم المبادئ الهندسية التي تحدد هذه التكنولوجيا، واستكشاف فيزياء تشغيلها، وتحليل التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) للشركات والمشغلين. سوف تكتسب فهمًا واضحًا لسبب بقاء هذا النوع من المحركات هو الخيار المفضل للسيناريوهات التي تتطلب أداءً ثابتًا وامتثالًا تنظيميًا.
دورة 720 درجة: يتطلب المحرك رباعي الأشواط دورتين كاملتين للعمود المرفقي وأربع حركات مميزة للمكبس لإنتاج شوط طاقة واحد، مع إعطاء الأولوية للتحكم في كثافة الطاقة الخام.
الكفاءة على الشدة: من خلال الفصل الميكانيكي بين أحداث السحب والعادم، تحقق هذه المحركات كفاءة حجمية أعلى وانبعاثات أنظف من نظيراتها ثنائية الشوط.
ملف تعريف التكلفة الإجمالية للملكية: على الرغم من أن تعقيد التصنيع الأولي أعلى (الصمامات وأعمدة الكامات)، إلا أن المحركات رباعية الأشواط توفر عادةً فترات خدمة أطول واستهلاكًا أقل للوقود.
منطق التطبيق: الخيار المفضل للسيناريوهات التي تتطلب عزم الدوران والمتانة والامتثال التنظيمي (مولدات السيارات والبحرية والثقيلة).
لفهم كفاءة هذه الآلة، يجب أن ننظر إلى مبادئ عمل المحرك رباعي الأشواط . غالبًا ما يستخدم المتخصصون في الصناعة العبارات التذكيرية Suck، Squeeze، Bang، Blow لوصف التسلسل. ومع ذلك، فإن الواقع الهندسي يتضمن ديناميكا حرارية دقيقة وديناميكيات الموائع. على عكس المحركات الأبسط، تخصص هذه الدورة أشواطًا محددة لإدارة الغازات، مما يحسن بشكل كبير كيفية تحويل طاقة الوقود إلى حركة ميكانيكية.
تبدأ الدورة بسكتة المدخول. يفتح صمام السحب بدقة عندما يخلق المكبس حركة هبوطية من المركز الميت العلوي (TDC) إلى المركز الميت السفلي (BDC). يعمل هذا الإجراء الميكانيكي على توسيع الحجم داخل الأسطوانة.
ويخلق هذا التوسع فرقًا في الضغط، أي فراغًا بالنسبة للغلاف الجوي الخارجي. يقوم هذا الفراغ بسحب خليط الهواء والوقود في محركات البنزين. في محركات الديزل رباعية الأشواط ، يقوم النظام بسحب الهواء فقط، كما يحدث حقن الوقود لاحقًا. المقياس الحاسم هنا هو الكفاءة الحجمية. يقيس هذا مدى فعالية ملء الأسطوانة بشحنة جديدة مقارنة بقدرتها الهندسية الثابتة. غالبًا ما تحقق المحركات عالية الأداء كفاءة حجمية تزيد عن 100% من خلال الحث القسري (الشحن التوربيني).
بمجرد وصول المكبس إلى الأسفل، يغلق صمام السحب، ويغلق غرفة الاحتراق. يدفع زخم دولاب الموازنة المكبس للأعلى باتجاه TDC. هذه هي ضربة الضغط. نحن لا نقوم فقط بضغط الغاز؛ نحن نقوم بعمل ديناميكي حراري.
يؤدي ضغط الشحنة إلى رفع درجة حرارتها وضغطها بشكل كبير. يؤدي هذا إلى تحضير التركيب الجزيئي للوقود للأكسدة السريعة والكاملة. يتم تحديد درجة هذا الضغط بواسطة نسبة الضغط (على سبيل المثال، 10:1). وترتبط النسبة الأعلى عمومًا بكفاءة حرارية أفضل، مما يعني أنك تحصل على المزيد من الطاقة من كل قطرة وقود. ومع ذلك، هناك حدود. إذا قمت بالضغط بشدة على محرك البنزين، فإنك تخاطر بالاشتعال المسبق أو الضرب، مما يستلزم وقودًا عالي الأوكتان.
هذا هو الحدث الرئيسي. في محرك البنزين، تقوم شمعة الإشعال بإشعال الخليط المضغوط قبل وصول المكبس إلى الأعلى. في تكوين الديزل، تؤدي حرارة الضغط الشديدة إلى اشتعال الوقود ذاتيًا عند الحقن. وهذا يؤدي إلى تفاعل أكسدة سريع، وهو انفجار متحكم فيه.
تخلق الغازات المتوسعة ضغطًا هائلاً، مما يجبر المكبس على الهبوط بقوة كبيرة. من المهم ملاحظة أن هذه هي السكتة الدماغية الوحيدة في دورة 720 درجة التي تولد عزم الدوران. الضربات الثلاث الأخرى طفيلية من الناحية الفنية، وتستهلك الطاقة لتسهيل لحظة القوة هذه. تلعب دولاب الموازنة الثقيلة المرتبطة بالعمود المرفقي دورًا حيويًا هنا. يقوم القصور الذاتي الدوراني بتخزين الطاقة من شوط الطاقة هذا لحمل المكونات الميكانيكية خلال مراحل العادم والسحب والضغط اللاحقة.
وعندما يصل المكبس إلى الأسفل مرة أخرى، ينفتح صمام العادم. يرتفع المكبس، ويدفع الغازات المستهلكة ميكانيكيًا خارج الأسطوانة إلى مجمع العادم. ويعرف هذا باسم الكسح.
الكسح الفعال أمر بالغ الأهمية لتحقيق الاتساق. إذا فشل المحرك في إزالة الحرارة المهدرة والغاز الخامل بكفاءة، فإن الشحنة الجديدة لدورة السحب التالية تصبح مخففة. هذا التخفيف يقلل من القوة والكفاءة. من خلال تخصيص شوط تصاعدي كامل للعادم فقط، يضمن التصميم رباعي الأشواط سجلًا نظيفًا للدورة التالية، مع الحفاظ على درجات حرارة تشغيل مستقرة وإخراج طاقة ثابت.
تملي الدورة رباعية الأشواط بنية أجهزة محددة. يتطلب هذا التصميم مكونات أكثر من طرق الاحتراق الداخلي البديلة، ولكن كل جزء يعمل على تحسين عملية الاحتراق.
الميزة الأكثر تميزًا في فئة المحرك هذه هي مجموعة الصمامات. يستخدم المحرك ثنائي الأشواط عادةً منافذ بسيطة مقطوعة في جدار الأسطوانة، والتي يتم تغطيتها وكشفها بواسطة المكبس نفسه. في المقابل، تعتمد المحركات رباعية الأشواط على صمامات دقيقة التوقيت موجودة في رأس الأسطوانة.
يتطلب هذا النظام عمود كامات، أو رافعات، أو أذرع دفع (في تصميمات OHV)، أو سلاسل توقيت (في تصميمات OHC). وهذا يضيف الوزن وتكلفة التصنيع. ومع ذلك، فإن المقايضة تخلق قيمة هائلة. يمكن للمهندسين ضبط توقيت الصمامات بدقة باستخدام تقنيات مثل توقيت الصمام المتغير (VVT). وهذا يسمح للمحرك بالتنفس بشكل مختلف عند عدد دورات المحرك المنخفض مقارنة بعدد دورات المحرك المرتفع، مما يؤدي إلى تحسين منحنيات عزم الدوران عبر نطاق واسع.
يعتبر التشحيم في محرك رباعي الأشواط أمرًا متطورًا. يتم تخزين الزيت في خزان مخصص، عادة ما يكون حوضًا رطبًا في الجزء السفلي من المحرك، أو خزانًا بعيدًا في تطبيقات السباق ذات الحوض الجاف. تقوم مضخة الزيت بإجبار مادة التشحيم هذه على الضغط على محامل العمود المرفقي ومجلات الكامة.
ويعتبر هذا الفصل بين الواجبات ميزة كبيرة. نظرًا لأن الزيت لا يختلط مع شحنة الاحتراق، فإن وقود المحرك رباعي الأشواط يظل نقيًا. تقوم بضخ البنزين أو الديزل مباشرة إلى الخزان دون خلطه بالزيت. وهذا يؤدي إلى احتراق أنظف بشكل ملحوظ. لا يوجد دخان أزرق مميز يرتبط باحتراق الزيت، وتظل المحولات الحفازة فعالة لفترة أطول بكثير.
تولد نسب الضغط العالية والتشغيل المستمر لهذه المحركات حرارة كبيرة. على الرغم من وجود تبريد الهواء (شائع في الدراجات النارية القديمة والطيران)، فإن معظم الأشواط الصناعية والسيارات الحديثة رباعية الأشواط تستخدم التبريد السائل.
تحيط السترات المائية بالأسطوانات، وتقوم المضخة بتوزيع سائل التبريد على المبرد. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تكون مبردات الزيت قياسية. إنهم يديرون درجة حرارة مادة التشحيم، مما يضمن الحفاظ على اللزوجة الصحيحة لحماية الأجزاء تحت الحمل الثقيل. يسمح هذا الاستقرار الحراري للمحركات رباعية الأشواط بالعمل بمستويات طاقة مثالية لساعات أو أيام دون تلاشي الحرارة الذي غالبًا ما يُرى في الوحدات الأبسط التي يتم تبريدها بالهواء.
بالنسبة للمهندسين ومديري الأساطيل والمشترين، غالبًا ما يحدد الاختيار بين أنواع المحركات مدى نجاح المشروع. سواء كنت تختار سفينة بحرية خارجية، أو أسطول تنسيق الحدائق، أو مولدًا احتياطيًا، فإن فهم المقايضات أمر ضروري. إليك كيفية مقارنة الدورة ثنائية الشوط بالمعيار رباعي الأشواط.
| ميزة | محرك دورة رباعي الأشواط | محرك دورة ثنائي الأشواط |
|---|---|---|
| تردد اطلاق النار | مرة واحدة كل دورتين (720 درجة) | مرة واحدة كل دورة واحدة (360 درجة) |
| تشحيم | حوض مخصص (تغذية الضغط) | الخسارة الإجمالية (النفط المخلوط بالوقود) |
| تعقيد | عالية (الصمامات، الحدبات، التوقيت) | منخفض (أجزاء متحركة قليلة) |
| كفاءة | كفاءة حرارية وحجمية عالية | أقل (عرضة للوقود ماس كهربائى) |
| متانة | عالية (فترات الخدمة الطويلة) | معتدل (معدلات تآكل أعلى) |
يشتعل المحرك ثنائي الشوط مرة واحدة في كل دورة. يمنحها هذا التردد ميزة نظرية لنسبة القوة إلى الوزن، مما يجعلها مثالية للأدوات المحمولة مثل المناشير حيث يكون لكل أونصة أهمية. ومع ذلك، فإن نطاق الطاقة غالبًا ما يكون ضيقًا وذرويًا.
وعلى العكس من ذلك، يعمل المحرك رباعي الأشواط مرة واحدة كل دورتين. إنه أثقل بطبيعته بسبب متطلبات مجموعة الصمامات والحدافة. ومع ذلك، فهو يوفر عزم دوران أكثر سلاسة وقابلية للتتبع. بالنسبة للمركبة أو المولد، يؤدي هذا التوصيل السلس إلى تقليل الاهتزاز وتسهيل التحكم في الماكينة والتعامل معها لفترات طويلة.
كعب أخيل ذو التصميم ثنائي الشوط ذو دائرة قصر. نظرًا لأن السحب والعادم يحدثان في وقت واحد من خلال منافذ مفتوحة، فغالبًا ما يتسرب الوقود الطازج من أنبوب العادم قبل أن يتم حرقه. وهذا يهدر المال ويضر بالبيئة.
تكمن ميزة رباعية الأشواط في مراحلها المميزة. ومن خلال إغلاق الأسطوانة ميكانيكيًا أثناء الاحتراق والعادم، فإنها تمنع إطلاق الوقود غير المحترق. تتيح هذه البنية للمصنعين تلبية معايير الانبعاثات الصارمة لوكالة حماية البيئة (EPA) واليورو بسهولة نسبية، وذلك باستخدام المحولات الحفازة التي قد تكون مسدودة بالزيت الموجود في عادم ثنائي الشوط.
الاختلافات في التشحيم تؤدي إلى المتانة. يستخدم المحرك رباعي الأشواط تشحيم الضغط، حيث تطفو الأجزاء المعدنية على طبقة من الزيت. تعتمد السكتة الدماغية على التشحيم بالضباب من مزيج الوقود، وهو أقل اتساقًا بكثير. وبالتالي، فإن المكابس والحلقات والمحامل رباعية الأشواط عادةً ما تدوم لفترة أطول بكثير، مما يجعلها الخيار الأفضل للتطبيقات التي تستغرق ساعات طويلة.
المبدأ الأساسي رباعي الأشواط قابل للتكيف. يقوم المهندسون بتعديل بنية القاعدة لتناسب الاحتياجات الصناعية المختلفة، وفي المقام الأول تغيير كيفية إشعال الوقود وكيفية ترتيب الأسطوانات.
وبينما تظل الأشواط الميكانيكية كما هي، فإن طريقة الاحتراق تختلف جذريًا. تعتمد محركات البنزين على شمعة الإشعال لبدء الاحتراق. إنها تتطلب نسبة دقيقة من الهواء إلى الوقود (قياس العناصر المتكافئة) لتعمل بشكل صحيح.
تعمل أنواع محركات الديزل رباعية الأشواط على الإشعال بالضغط. فهي تضغط الهواء إلى درجة عالية (نسب 18:1 أو أعلى) بحيث تتجاوز درجة الحرارة نقطة وميض الوقود. عندما يتم حقن الديزل مباشرة في هذا الهواء شديد السخونة، فإنه ينفجر. يزيل هذا التصميم شمعات الإشعال وينتج عزم دوران هائل منخفض، مما يجعله المعيار القياسي للشاحنات والشحن والبناء الثقيل.
تؤثر طريقة تعبئة الأسطوانات على توازن المحرك وحجمه:
مضمنة: تجلس الأسطوانات في صف مستقيم. هذا بسيط وفعال من حيث التكلفة وسهل التصنيع. إنه المعيار لمعظم سيارات الركاب (Inline-4) والشاحنات المتوسطة (Inline-6).
التكوين V: تشكل الأسطوانات شكل V. يؤدي هذا إلى تقسيم الضفتين، مما يسمح لكتلة محرك أقصر. إنه يقوم بإنشاء عبوات مدمجة للمحركات عالية الإزاحة (V6، V8) المستخدمة في السيارات عالية الأداء والشاحنات الثقيلة.
الملاكم (المسطح): الأسطوانات تتعارض مع بعضها البعض أفقيا. يلغي هذا التصميم الاهتزازات الأولية ويخفض مركز ثقل السيارة. ترى هذا في الغالب في سيارات سوبارو، وسيارات بورش الرياضية، والطائرات الخفيفة (مثل سيسنا) حيث يعد التوازن أمرًا بالغ الأهمية.
إن امتلاك آلة رباعية الأشواط ينطوي على نظام صيانة محدد. ورغم أن هذه المحركات قوية، إلا أنها لا تحتاج إلى صيانة. يمكن أن يؤدي الإهمال إلى إصلاحات باهظة الثمن بسبب العدد الكبير من الأجزاء المتحركة.
تغييرات الزيت المنتظمة غير قابلة للتفاوض. على عكس الضربتين اللتين تحرقان الزيت، فإن الضربات الأربع تعيد تدويره. بمرور الوقت، يتحلل هذا الزيت بسبب الحرارة والتلوث الناتج عن منتجات الاحتراق الثانوية. يؤدي تغيير الزيت والفلتر إلى ضمان عمل نظام التزييت بالضغط بشكل صحيح.
بالنسبة لمديري الأساطيل، يعد تحليل النفط أداة قوية. ومن خلال تحليل عينة من الزيت المستخدم، يمكن للمختبرات اكتشاف الجزيئات المعدنية المجهرية. تتنبأ هذه البيانات بحالة المحرك، وتحذرك من تآكل المحمل قبل حدوث عطل كارثي.
يجلب تعقيد الصمامات متطلبات خدمة محددة: فحوصات خلوص الصمامات. على مدى آلاف دورات التسخين، يتمدد المعدن ويتآكل. إذا أصبحت الفجوة بين الكامة وساق الصمام ضيقة للغاية، فقد لا تغلق الصمامات بشكل كامل، مما يؤدي إلى احتراق الصمامات وفقدان الطاقة. إذا كان فضفاضًا جدًا، يصبح المحرك صاخبًا ويفقد قوة الرفع. في حين أن الرافعات الهيدروليكية في السيارات قابلة للضبط ذاتيًا، إلا أن العديد من المحركات الصناعية ومحركات الدراجات النارية لا تزال بحاجة إلى فحص يدوي.
عند تحليل التكلفة الإجمالية للملكية، يقدم المحرك رباعي الأشواط منحنى واضحًا. على المدى القصير، سعر الشراء أعلى. أنت تدفع مقابل أعمدة الكامات والصمامات والمضخات وصب الكتل الأكثر تعقيدًا.
ومع ذلك، فإن النظرة طويلة المدى تفضل رباعي الأشواط. انخفاض استهلاك الوقود يقلل من تكاليف التشغيل اليومية. تعمل الفواصل الزمنية الأطول بين عمليات إعادة البناء الرئيسية على تقليل وقت التوقف عن العمل. وأخيرًا، تكون قيمة إعادة البيع للمعدات رباعية الأشواط أعلى بشكل عام. عادةً ما تعوض هذه العوامل الاستثمار الأولي، مما يجعلها الاختيار السليم من الناحية المالية لأي معدات مخصصة لسنوات من الخدمة.
لقد تطور المحرك رباعي الأشواط إلى ما هو أبعد من دورة أوتو الأساسية في القرن التاسع عشر. واليوم، أصبح هذا النظام عبارة عن نظام متطور للغاية يستخدم توقيت الصمامات المتغير (VVT)، والحقن المباشر، والحث القسري لاستخراج أقصى قدر من الطاقة من كل قطرة وقود. إنه يمثل انتصارًا للصقل الهندسي.
الحكم واضح بالنسبة لمعظم التطبيقات. على الرغم من أنه أثقل وأكثر تعقيدًا ميكانيكيًا من البدائل ثنائية الشوط، إلا أن المحرك رباعي الأشواط يظل الخيار الأفضل لأي سيناريو يتطلب الموثوقية والاقتصاد في استهلاك الوقود والامتثال البيئي. فهو يوفر الطاقة التي يمكنك الاعتماد عليها، ساعة بعد ساعة.
وبالنظر إلى المستقبل، تستمر هذه التكنولوجيا في التكيف. نحن نراها مدمجة في المحركات الهجينة حيث تعمل بنقاط الكفاءة المثلى، ومُحسَّنة للوقود الاصطناعي. الدورة رباعية الأشواط لا تختفي. لقد أصبح أكثر ذكاءً.
ج: يقوم المحرك رباعي الأشواط بفصل أحداث السحب والعادم ميكانيكيًا إلى أشواط مختلفة. وهذا يمنع حدوث قصر الدائرة الشائع في الشوطين، حيث يتسرب الوقود الطازج عن طريق الخطأ من منفذ العادم قبل أن يتم حرقه. ومن خلال إغلاق غرفة الاحتراق أثناء أشواط السحب والطاقة، يضمن المحرك رباعي الأشواط تحويل كل الوقود تقريبًا إلى طاقة، مما يؤدي إلى قطع مسافة أفضل بشكل ملحوظ وانبعاثات أقل.
ج: بشكل عام، لا. تستخدم معظم المحركات القياسية رباعية الأشواط نظام تزييت الحوض الرطب حيث يوجد الزيت في الجزء السفلي من علبة المرافق ويتم التقاطه بواسطة المضخة. إذا قمت بقلب المحرك، يتحرك الزيت بعيدًا عن أنبوب الالتقاط، مما يتسبب في تجويع الزيت وتوقف المحرك. ومع ذلك، يمكن أن تعمل الأشواط الأربعة المتخصصة مع أنظمة الحوض الجاف (مثل تلك الموجودة في الطائرات المثيرة أو المناشير) في أي اتجاه.
ج: العيوب الأساسية هي الوزن والتعقيد. يحتوي المحرك رباعي الأشواط على عدد أكبر من الأجزاء المتحركة (الصمامات والزنبركات وأعمدة الكامات) مقارنة بالمحرك ثنائي الأشواط، مما يجعله أثقل وأكثر تكلفة في التصنيع. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأنه ينتج الطاقة مرة واحدة فقط كل دورتين (720 درجة)، فهو يتمتع بنسبة طاقة إلى وزن أقل مقارنة بمحرك ثنائي الشوط ذو الحجم المماثل.
ج: يستخدم محرك الدورة رباعي الأشواط مكابس ترددية تتحرك لأعلى ولأسفل في الأسطوانات. يستخدم المحرك الدوار (وانكل) دوارًا مثلثًا يدور داخل غلاف بيضاوي. في حين أن المحرك الدوار يمر أيضًا بمراحل السحب والضغط والاحتراق والعادم، فإنه يفعل ذلك من خلال حركة دورانية بدون صمامات أو مكابس، مما يؤدي إلى تشغيل أكثر سلاسة ولكن عادةً ما تكون الكفاءة الحرارية أقل واستهلاكًا أعلى للزيت.
ج: يشتعل المحرك رباعي الأشواط مرة واحدة كل 720 درجة من دوران العمود المرفقي. وهذا يعني أن العمود المرفقي يجب أن يدور بالكامل مرتين لإكمال شوط طاقة واحد لأسطوانة معينة. في المقابل، يشتعل المحرك ثنائي الشوط مرة واحدة كل 360 درجة (كل دورة). هذا هو السبب في أن المحركات رباعية الأشواط غالبًا ما تبدو أكثر سلاسة ولديها عادم أقل من الطنين عالي التردد للمحرك ثنائي الأشواط.
