الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2025-12-26 المنشأ:محرر الموقع
يعتمد المشهد الصناعي والسيارات الحديث بشكل كبير على محرك الاحتراق الداخلي، ومع ذلك فإن القليل من التصميمات حققت انتشار محرك الدورة رباعي الأشواط . بدءًا من دفع أساطيل الخدمات اللوجستية الثقيلة وحتى تشغيل المولدات الاحتياطية ومركبات الركاب، تمثل هذه المنصة المعيار العالمي للموثوقية. على عكس نظيراتها الأبسط ثنائية الأشواط، تخصص الدورة رباعية الأشواط حركات مكبس منفصلة للسحب والضغط والاحتراق والعادم. يسمح هذا الفصل الميكانيكي بالتحكم الفائق في استهلاك الوقود والانبعاثات والإدارة الحرارية.
ومن الناحية الفنية، تتطلب الدورة الواحدة في هذا المحرك دورتين كاملتين للعمود المرفقي، أي 720 درجة دوران. وهذا التمييز ليس أكاديميا فحسب؛ فهو يحدد بشكل أساسي وزن المحرك، وإيصال الطاقة، وطول العمر. بالنسبة لمديري الأساطيل ومشتري المعدات والمتحمسين، يعد فهم هذه الآليات أمرًا بالغ الأهمية. إنه ينقل المحادثة إلى ما هو أبعد من المواصفات الأساسية إلى التأثير الواقعي على الأداء والتكلفة الإجمالية للملكية (TCO). في هذا الدليل، نقوم بتحليل المراحل التشغيلية ومتانة المكونات والقيمة الإستراتيجية للمنصة رباعية الأشواط.
الدقة المتسلسلة: تعتمد الدورة على مراحل مختلفة للسحب والضغط والطاقة والعادم، مما يسمح بالتحكم الدقيق في الانبعاثات واستهلاك الوقود.
الكفاءة مقابل الوزن: على الرغم من أنها أثقل من مكافئاتها ثنائية الأشواط بسبب قطارات الصمامات وأعمدة الكامات، إلا أن المحركات رباعية الأشواط توفر كفاءة حرارية فائقة وعائدًا على الاستثمار بمرور الوقت.
تعدد استخدامات الوقود: ينطبق مبدأ رباعي الأشواط على كل من محركات البنزين رباعية الأشواط ومحركات الديزل رباعية الأشواط ، على الرغم من اختلاف طرق الإشعال.
ملف الصيانة: يزيد عدد المكونات الأعلى من تعقيد عملية الإصلاح، لكن أنظمة التشحيم المنفصلة تعمل على إطالة فترات الخدمة وعمر المحرك بشكل كبير.
تنبع كفاءة المحرك رباعي الأشواط من أسلوبه المجزأ في توليد الطاقة. ومن خلال تخصيص شوط كامل لكل مرحلة مميزة من مراحل الاحتراق، يعمل النظام على زيادة الطاقة الكامنة المستخرجة من كل قطرة وقود. يكشف فهم هذه المراحل عن سبب توفير هذا التصميم لعزم الدوران المستقر والامتثال للمعايير البيئية الحديثة.
تبدأ الدورة بوضع المكبس في أعلى المركز الميت (TDC). أثناء نزوله نحو المركز الميت السفلي (BDC)، ينفتح صمام السحب. تخلق هذه الحركة فراغًا داخل الأسطوانة، مما يؤدي إلى سحب خليط الهواء والوقود (في محركات البنزين) أو الهواء النقي (في محركات الديزل). ومع ذلك، فإن الفراغ وحده لا يحدد الأداء.
يركز المهندسون بشكل كبير على الكفاءة الحجمية خلال هذه المرحلة. الهواء يحمل الجمود. لديها كتلة وسرعة. تعمل التصميمات عالية الأداء على تحسين شكل منافذ السحب وأحجام الصمامات للحفاظ على سرعة هواء عالية، ودفع المزيد من الهواء إلى داخل الأسطوانة حتى عندما يقترب المكبس من القاع. أي قيود هنا تحد من خرج الطاقة المحتمل للمحرك حتى قبل بدء الاحتراق. يعمل المصمم جيدًا محرك الدورة رباعي الأشواط على تعزيز ديناميكيات تدفق الهواء لضمان ملء الأسطوانة إلى أقصى سعتها.
بمجرد وصول المكبس إلى BDC، يغلق صمام السحب، ويغلق غرفة الاحتراق. ثم يعكس المكبس اتجاهه، ويعود إلى TDC. هذه هي ضربة الضغط. ميكانيكيا، هذه المرحلة هي استثمار للطاقة. يجب أن يستخدم المحرك كمية الحركة المخزنة من دولاب الموازنة لدفع المكبس إلى الأعلى مقابل ضغط الغاز المحبوس.
هذا العمل يخلق شرطين حاسمين. أولاً، يزيد بشكل كبير من ضغط الخليط. ثانيًا، وربما الأهم، أنه يولد الحرارة. تعمل هذه الحرارة على تبخير قطرات الوقود، مما يضمن تناثرها بالكامل للحصول على حرق نظيف. تحدد نسبة الضغط - حجم الأسطوانة في BDC مقارنةً بـ TDC - الكفاءة الحرارية. تستخرج النسبة الأعلى (على سبيل المثال، 1:10 أو أعلى) المزيد من الطاقة ولكنها تتطلب وقود محرك رباعي الأشواط بدرجة أعلى لمنع الانفجار المبكر، المعروف باسم 'الطرق'.
هذه هي مرحلة المكافأة. إنها الضربة الوحيدة في دورة 720 درجة بأكملها التي تولد القوة بالفعل. قبل أن يصل المكبس إلى TDC مباشرة، يحدث حدث الإشعال. في محرك البنزين، تشتعل شمعة الإشعال؛ في محرك الديزل، تعمل حرارة الضغط الشديدة على إشعال الوقود تلقائيًا.
يؤدي الانفجار المتحكم فيه إلى تمدد سريع للغازات، مما يدفع المكبس إلى الأسفل بقوة هائلة. تنتقل هذه القوة الخطية عبر قضيب التوصيل إلى العمود المرفقي، مما يؤدي إلى إنشاء عزم الدوران. العنصر الحاسم هنا هو دولاب الموازنة . نظرًا لأنه يتم توصيل الطاقة بنسبة 25% فقط من الوقت (ضربة واحدة من أصل أربع)، تقوم دولاب الموازنة بتخزين هذه الطاقة الحركية للحفاظ على دوران العمود المرفقي بسلاسة خلال أشواط العادم والسحب والضغط اللاحقة. وبدون إدارة الزخم هذه، سيهتز المحرك بشكل مفرط أو يتوقف.
عندما يصل المكبس إلى القاع في نهاية شوط القدرة، ينفتح صمام العادم. يتحرك المكبس للأعلى مرة أخرى، دافعًا الغازات المستهلكة خارج الأسطوانة. تُعرف هذه العملية باسم الكسح.
فقدان الكفاءة هو خطر كبير هنا. إذا لم تقم الأسطوانة بإزالة غازات العادم بشكل كامل، فإن الغاز الخامل المتبقي يشغل مساحة يجب أن يشغلها الهواء النقي في الدورة التالية، مما يقلل الطاقة. علاوة على ذلك، فإن هذه الضربة تتعامل مع حرارة كبيرة. تم تصميم أنظمة العادم الفعالة لسحب هذه الغازات الساخنة بعيدًا بسرعة، مما يمنع كتلة المحرك من السخونة الزائدة ويحمي صمامات العادم من الالتواء. بمجرد وصول المكبس إلى TDC مرة أخرى، يغلق صمام العادم، ويفتح صمام السحب، وتتكرر الدورة.
ترتبط موثوقية المحرك رباعي الأشواط بشكل مباشر بتعقيد بنيته الداخلية. على عكس المحركات ثنائية الأشواط التي تستخدم منافذ بسيطة، تستخدم التصميمات رباعية الأشواط أجزاء متحركة دقيقة لإدارة الدورة. يؤدي هذا إلى زيادة الوزن ولكنه يوفر التحكم الميكانيكي اللازم لطول العمر.
يتحكم نظام الصمامات في تنفس المحرك. غالبًا ما يواجه المشترون الاختيار بين تكوينات الصمام العلوي (OHV) والكاميرا العلوية (OHC). تستخدم تصميمات OHV، التي توجد غالبًا في المولدات الصناعية وجزازات العشب، أذرع دفع مدفوعة بعمود كامات موجود في كتلة المحرك. إنها مدمجة ومتينة ولكنها تعاني عند السرعات العالية بسبب الكتلة الترددية الثقيلة لمجموعة الصمامات.
على العكس من ذلك، تضع تصميمات OHC عمود الكامات مباشرة فوق الصمامات الموجودة في رأس الأسطوانة. وهذا يقلل من الكتلة المتحركة، مما يسمح بتوقيت دقيق للصمام عند دورات عالية في الدقيقة، مما يحسن كفاءة استهلاك الوقود. ومع ذلك، فإن الصمامات نفسها هي نقاط تآكل. إنهم يتحملون آلاف الصدمات في الدقيقة. إذا فشل حزام التوقيت في محرك التداخل، يمكن للمكبس أن يصطدم بالصمامات المفتوحة، مما يؤدي إلى فشل كارثي في مكونات المحرك رباعي الأشواط . الفحص المنتظم لمكونات التوقيت غير قابل للتفاوض لصيانة الأسطول.
يعد المكبس في المحرك رباعي الأشواط مكونًا متطورًا مزودًا بنظام حلقة ثلاثي المستويات، يخدم كل منها غرضًا مميزًا:
حلقات الضغط (العلوية): تعمل على إغلاق غرفة الاحتراق لمنع فقدان الضغط أثناء شوط القدرة.
حلقات المساحات (الوسطى): تساعد في منع تسرب الحرارة الشديدة من رأس المكبس إلى جدران الأسطوانة، حيث يمكن لنظام التبريد التحكم فيها.
حلقة التحكم في الزيت (أسفل): على عكس المكابس ثنائية الشوط، التي تحرق الزيت، تقوم هذه الحلقة بكشط الزيت الزائد من جدار الأسطوانة وإعادته إلى الحوض.
تعتبر حلقة التحكم في الزيت المخصصة هذه عامل متانة رئيسي. فهو يضمن بقاء غرفة الاحتراق نظيفة، مما يقلل بشكل كبير من تلوث الكربون على شمعات الإشعال والصمامات مقارنة بالمحركات ثنائية الشوط. وهذا هو السبب الرئيسي وراء عدم استهلاك المحركات رباعية الأشواط للزيت أثناء التشغيل العادي.
يقوم العمود المرفقي بتحويل الطرق الخطي للمكابس إلى قوة دوران قابلة للاستخدام. يؤثر تكوين الأسطوانات حول العمود المرفقي — سواء على شكل مستقيم أو على شكل حرف V أو مسطح (بوكسر) — على الاهتزاز والتعبئة. تتميز المحركات المضمنة بالبساطة وسهولة الصيانة، مما يجعلها مثالية للشاحنات والآلات الصناعية. توفر التكوينات على شكل حرف V المساحة، مما يسمح بوجود المزيد من الأسطوانات (المزيد من الطاقة) في حجرة المحرك الأقصر.
تتحمل قضبان التوصيل العبء الأكبر من ضربة القوة. في تطبيقات الديزل الثقيلة، تكون هذه القضبان أكثر سمكًا بشكل كبير لتحمل نسب الضغط الأعلى. يضيف هذا البناء القوي إلى الوزن الإجمالي للمحرك ولكنه يضمن إمكانية تشغيله لآلاف الساعات دون تعطل الكلال.
إن الدورة رباعية الأشواط هي مبدأ ميكانيكي، وليست مبدأ محددًا للوقود. ومع ذلك، يتغير التنفيذ بشكل كبير اعتمادًا على ما إذا كان المحرك مصممًا للبنزين (البنزين) أو الديزل. يعتمد اختيار المتغير الصحيح بشكل كبير على التطبيق المقصود.
يعتمد على محرك البنزين رباعي الأشواط نظام الإشعال بالشرارة. يتم خلط الهواء والوقود (إما في مشعب السحب أو مباشرة في الأسطوانة) قبل الإشعال. تعمل هذه المحركات بنسب ضغط أقل مقارنة بالديزل، مما يسمح لكتل محرك أخف واستجابة أسرع للخانق.
إنها الخيار المفضل للتطبيقات التي تتطلب عدد دورات عاليًا في الدقيقة ووزنًا أقل، مثل معدات الطاقة المحمولة واللوحات الخارجية البحرية ومركبات الركاب الخفيفة. عادة ما تكون تكلفة الشراء الأولية أقل، لكن استهلاك الوقود لكل وحدة عمل أعلى عمومًا من معادلات الديزل.
يعمل محرك الديزل رباعي الأشواط على التخلص من شمعات الإشعال تمامًا. وبدلاً من ذلك، فهو يضغط الهواء إلى درجة عالية بحيث تتجاوز درجة الحرارة نقطة الاشتعال الذاتي لوقود الديزل. يتم حقن الوقود مباشرة في هذا الهواء شديد الحرارة في الجزء العلوي من شوط الضغط.
تم تصميم هذه المحركات بشكل أثقل لاحتواء الضغوط الداخلية الهائلة. وتتمثل المقايضة في الكفاءة الحرارية الاستثنائية وعزم الدوران المنخفض الهائل. وهذا يجعلها معيارًا لوسائل النقل الثقيلة، والآلات الزراعية، والمولدات الصناعية ذات الخدمة المستمرة. على الرغم من أن تصنيعها أكثر تكلفة، إلا أن طول عمرها واقتصادها في استهلاك الوقود غالبًا ما يؤدي إلى انخفاض التكلفة الإجمالية للملكية للمستخدمين التجاريين.
لتصور المقايضات، فكر في المقارنة التالية لديناميكيات الوقود:
| ميزة | بنزين رباعي الأشواط | وديزل رباعي الأشواط |
|---|---|---|
| مصدر الاشتعال | شرارة المكونات | حرارة الضغط |
| كثافة الطاقة | أقل (حوالي 34 ميجا جول/لتر) | أعلى (حوالي 38 ميجا جول/لتر) |
| الكفاءة الحرارية | 20% - 30% | 30% - 45%+ |
| ملف تعريف عزم الدوران | قوة حصانية عالية دورة في الدقيقة | عزم الدوران المنخفض في الدقيقة |
| التكلفة الأولية | استهلاك الوقود | الشراء والصيانة الأولية |
عند تقييم منصات المحرك، غالبًا ما يقتصر القرار على المقارنة بين التصميمات في حين أن المحرك ثنائي الأشواط له مكان في مجالات محددة، إلا أن المحرك رباعي الأشواط يهيمن على السوق الأوسع لأسباب استراتيجية. رباعية الأشواط وثنائية الأشواط .
يتم تشغيل المحرك ثنائي الأشواط مرة واحدة في كل دورة، مما يوفر نظريًا ضعف نبضات الطاقة التي يوفرها المحرك رباعي الأشواط لنفس عدد الدورات في الدقيقة. كما أنها تفتقر إلى صمامات معقدة، مما يجعلها خفيفة بشكل لا يصدق. هذا هو السبب وراء تفضيلهم للمناشير والدراجات الترابية. ومع ذلك، فإن حقيقة رباعية الأشواط هي حقيقة صقل. على الرغم من أنها أثقل وأكبر حجمًا، إلا أن المحركات رباعية الأشواط توفر نطاق طاقة أوسع وأكثر سلاسة. إنها لا تتطلب عدد دورات عاليًا في الدقيقة التي تحتاجها السكتة الدماغية لتوليد عزم الدوران، مما يجعلها أكثر قابلية للاستخدام وأقل إرهاقًا لمشغلي الآلات الثقيلة.
ربما يكون الضغط التنظيمي هو أقوى محرك لاعتماد رباعي الأشواط. في المحرك ثنائي الشوط، تتداخل مرحلتي السحب والعادم بشكل كبير، مما يسمح للوقود غير المحترق بالهروب من منفذ العادم. علاوة على ذلك، فإنهم يحرقون الزيت حسب التصميم. يقوم محرك رباعي الأشواط بفصل الاحتراق عن التشحيم تمامًا. وينتج عن ذلك عادم أنظف، وخالي من الدخان الأزرق المميز للضربتين. بالنسبة للمصنعين، يعد تحقيق معايير الانبعاثات الخاصة بوكالة حماية البيئة (EPA) واليورو أسهل وأرخص بشكل ملحوظ من خلال منصة رباعية الأشواط. بالإضافة إلى ذلك، فإن التلوث الضوضائي أقل بشكل كبير، وهو مطلب إلزامي للمعدات المستخدمة في المناطق السكنية.
بالنسبة للمشترين التجاريين، فإن التكلفة الإجمالية للملكية هي التي تحدد القرار. تستهلك المحركات رباعية الأشواط وقودًا أقل بكثير لنفس مخرجات العمل لأنه لا يتم فقدان أي وقود أثناء عملية الكسح. بالإضافة إلى ذلك، تم تبسيط الخدمات اللوجستية التشغيلية. لا يحتاج المشغلون إلى خلط الزيت بالغاز (الخلط المسبق)، مما يزيل المصدر الشائع لخطأ المستخدم وتوقف المحرك. في حين أن تغيير الزيت هو مهمة صيانة، فإن التخلص اليومي من تكاليف الزيت المسبق الخلط يوفر أموالًا كبيرة على مدى عمر المعدات.
إن الاستثمار في محرك رباعي الأشواط يعني الالتزام بنظام صيانة محدد. على عكس نهج التشغيل حتى الموت الذي يتم رؤيته أحيانًا باستخدام الأدوات الرخيصة ثنائية الأشواط، فإن المحركات رباعية الأشواط مصممة للإصلاح وطول العمر.
يرجع طول عمر هذه المحركات في المقام الأول إلى نظام تزييت الحوض. يتم ضخ أو رش خزان الزيت المخصص فوق المحامل الحرجة. يوفر هذا طبقة هيدروديناميكية فائقة تمنع تلامس المعدن على المعدن بشكل أفضل بكثير من التزييت بالضباب في الشوطين. ويرتبط هذا ارتباطًا مباشرًا بعمر المحرك الذي يمكن أن يصل إلى آلاف الساعات (أو مئات الآلاف من الأميال). ومع ذلك، يتطلب هذا بروتوكولًا: يجب على المشغلين إجراء تغييرات منتظمة في الزيت واستبدال الفلتر. وإهمال ذلك يحول الزيت إلى حمأة، مما يؤدي إلى تدمير المحرك بسرعة.
على الرغم من قوتها، إلا أن التعقيد يقدم نقاط فشل محددة. يعد رباط الصمام (الخلوص) أحد عناصر الصيانة المهمة. بمرور الوقت، تستقر الصمامات في مقاعدها، مما يؤدي إلى تشديد الخلوص. إذا لم يتم ضبطها، فقد لا تغلق الصمامات بشكل كامل، مما يؤدي إلى فقدان الضغط وحرق الصمامات. وبالمثل، يجب صيانة غالبًا ما يؤدي الحزام المنقطع في محرك التداخل إلى ثني الصمامات والمكابس التالفة، وهي فاتورة إصلاح غالبًا ما تتجاوز قيمة المحركات الصغيرة. أحزمة التوقيت أو السلاسل .
إذا لم تقرر بعد بشأن منصة المحرك لشراء المعدات التالية، ففكر في قائمة المراجعة هذه:
ارتفاع معدل الاستخدام؟ اختر 4 السكتة الدماغية . إن توفير الوقود وحده سيغطي ثمن المحرك.
الوزن هو العائق الأساسي؟ فكر في استخدام محرك ثنائي الشوط (على سبيل المثال، أدوات التشذيب المحمولة)، ولكن كن على دراية بمشاكل الضوضاء.
لوائح صارمة للضوضاء / الانبعاثات؟ يجب عليك استخدام 4 السكتة الدماغية . تحظر العديد من العقود الحضرية الآن المعدات ثنائية الشوط.
يشترط طول العمر؟ اختر 4 السكتة الدماغية . مع تغيير الزيت المناسب، فإنها تدوم أكثر من البدائل ثنائية الشوط بهامش واسع.
يهيمن محرك الدورة رباعي الأشواط على الآلات الحديثة ليس لأنه الحل الأبسط، ولكن لأنه يوفر أفضل توازن بين الموثوقية والتشغيل النظيف والكفاءة الاقتصادية. من خلال فصل أحداث السحب والضغط والطاقة والعادم، أنشأ المهندسون منصة تعمل على زيادة الطاقة المستخرجة من الوقود إلى الحد الأقصى مع تقليل التآكل والتلوث.
بالنسبة للمشترين ومديري الأساطيل، الحكم واضح: في حين أن الوزن الأولي والتعقيد أعلى، تظل المنصة رباعية الأشواط الخيار الهندسي المتميز لأي شخص يعطي الأولوية لطول العمر والعائد على الاستثمار على نسب الطاقة إلى الوزن الخام. سواء كنت تدير أسطولًا من الشاحنات أو تقوم بصيانة المولدات الصناعية، فإن الالتزام بجداول الصيانة لهذه المحركات يضمن أن تظل العمود الفقري لعملياتك لسنوات قادمة.
ج: يعتبر المحرك رباعي الأشواط أكثر كفاءة لأنه يفصل بين شوطي السحب والعادم. في المحرك ثنائي الشوط، تتداخل هذه المراحل، مما يتسبب في هروب بعض الوقود الطازج من منفذ العادم دون احتراق. يقوم محرك رباعي الأشواط بإغلاق غرفة الاحتراق بالكامل أثناء الاحتراق ولا يفتح صمام العادم إلا بعد استخلاص الطاقة. وينتج عن ذلك كفاءة حجمية أعلى ويضمن أن كل قطرة وقود تساهم في توليد الطاقة بدلاً من إهدارها.
ج: بشكل عام، لا. تعتمد المحركات القياسية رباعية الأشواط على الزيت الموجود في حوض (خزان) أسفل المحرك للتزييت. إذا تم قلبه، يتدفق الزيت بعيدًا عن مضخة الزيت، مما يحرم المحرك من التزييت ويسبب التشنج. ومع ذلك، تستخدم المحركات المتخصصة رباعية الأشواط (مثل تلك الموجودة في بعض أدوات تشذيب الحشائش أو الطائرات المثيرة) الحوض الجاف أو أنظمة حقن الزيت المتخصصة التي تسمح لها بالعمل في أي اتجاه، على الرغم من أنها أكثر تكلفة.
ج: يعمل التوقيت على مزامنة العمود المرفقي (المكابس) وعمود الحدبات (الصمامات). إذا كان التوقيت متوقفًا قليلاً، تفتح الصمامات في الوقت الخطأ، مما يتسبب في فقدان الضغط وانخفاض شديد في الطاقة. إذا كان التوقيت متوقفًا بشكل كبير (على سبيل المثال، حزام مكسور)، فيمكن أن تصطدم المكابس بالصمامات المفتوحة في محركات التداخل. يؤدي هذا الاصطدام إلى ثني الصمامات وإتلاف المكابس، مما يتطلب غالبًا إعادة بناء المحرك بالكامل أو استبداله.
ج: بالنسبة للمحركات الصغيرة المبردة بالهواء (مثل جزازات العشب أو المولدات)، فإن القاعدة العامة هي تغيير الزيت كل 50 ساعة من التشغيل أو مرة واحدة في الموسم، أيهما يأتي أولاً. يجب تغيير الزيت في المحركات الجديدة بعد أول 5 ساعات لإزالة النشارة المعدنية من عملية التصنيع. تحقق دائمًا من دليل الشركة المصنعة، لأن الأحمال الثقيلة أو البيئات المتربة قد تتطلب تغييرات أكثر تكرارًا لحماية المكونات الداخلية.
