يمثل المحرك رباعي الأشواط المعيار الصناعي بلا منازع للموثوقية والامتثال للانبعاثات عبر الآلات الحديثة، حيث يعمل على تشغيل كل شيء بدءًا من الشاحنات الثقيلة وحتى مولدات الطاقة الثابتة. وعلى عكس التصاميم الأبسط، فإن بنية المحرك هذه تعطي الأولوية للكفاءة وطول العمر، مما يجعلها حجر الزاوية في قطاعي النقل والطاقة العالميين. تشير الدورة في هذا السياق إلى تسلسل دقيق لأربعة أحداث مختلفة للمكبس - السحب، والضغط، والطاقة، والعادم - والتي تحدث خلال دورتين كاملتين للعمود المرفقي. يسمح تصميم الرقصات الميكانيكية هذا باحتراق أنظف وإدارة حرارية فائقة مقارنة بالتصميمات البديلة.
بالنسبة لمديري الأساطيل والفنيين ومشتري المعدات، يعد فهم المحرك رباعي الأشواط أمرًا بالغ الأهمية لأكثر من مجرد اجتياز اختبارات الشهادات. فهو يوفر المنطق التشخيصي اللازم لحل مشكلات الأداء ويبلغ القرارات الرأسمالية عند اختيار المعدات. بينما توفر الخيارات ثنائية الأشواط كثافة الطاقة، توفر الدورة رباعية الأشواط المتانة والاقتصاد في استهلاك الوقود الضروريين لإدارة التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) على المدى الطويل. يستكشف هذا الدليل المراحل التشغيلية والمكونات المهمة وحقائق الصيانة التي تحدد تقنية المحرك السائدة.
فيزياء الدورة: تتطلب شوط القدرة الواحدة دورتين كاملتين للعمود المرفقي (720 درجة)، بالاعتماد على القصور الذاتي للحدافة لحمل الزخم خلال الأشواط الثلاثة غير العاملة.
ملف الكفاءة: كفاءة حرارية أعلى وانبعاثات أنظف مقارنة بنظيراتها ثنائية الشوط، ولكن مع زيادة الوزن والتعقيد الميكانيكي.
تميز الصيانة: يتطلب نظام تزييت مخصص (حوض) منفصل عن غرفة الاحتراق، مما يمنع اختلاط زيت الوقود.
ملاءمة التطبيق: البنية المفضلة للتطبيقات التي تتطلب عزم دوران عاليًا عند عدد دورات أقل في الدقيقة، وطول العمر، والاقتصاد في استهلاك الوقود.
لتشخيص فقدان الكفاءة أو مشكلات مجموعة الصمامات بشكل فعال، يجب على الفنيين تصور التسلسل الميكانيكي الذي يحدث داخل الأسطوانة. تُخصص الدورة رباعية الأشواط شوطًا محددًا لكل مرحلة من مراحل عملية الاحتراق: الحث والضغط والاحتراق والكسح. يتيح هذا الفصل للمهندسين تحسين كل حدث لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة، على عكس المحركات التي تتداخل مع هذه المراحل.
فيما يلي ملخص لحالات الصمام والمكبس خلال دورة 720 درجة الكاملة:
| المرحلة | حركة المكبس | صمام السحب | صمام العادم | وظيفة رئيسية |
|---|---|---|---|---|
| 1. المدخول | TDC إلى BDC | يفتح | مغلق | تحريض الهواء/الوقود |
| 2. الضغط | BDC إلى TDC | مغلق | مغلق | تكثيف الخليط |
| 3. القوة | TDC إلى BDC | مغلق | مغلق | إنتاج الطاقة |
| 4. العادم | BDC إلى TDC | مغلق | يفتح | تفريغ الغاز |
تبدأ الدورة عندما ينزل المكبس من المركز الميت العلوي (TDC) إلى المركز الميت السفلي (BDC). أثناء هذه الحركة، ينفتح صمام السحب بينما يظل صمام العادم مغلقًا بإحكام. من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن المحرك يمتص الهواء. في الواقع، يعمل المكبس النازل على توسيع حجم الأسطوانة، مما يخلق منطقة ضغط منخفض (فراغ) بالنسبة للبيئة الخارجية. ثم يقوم الضغط الجوي بدفع الهواء (والوقود في أنظمة حقن المنفذ) إلى غرفة الاحتراق لملء هذا الفراغ.
الأداء هنا يتوقف على الكفاءة الحجمية - نسبة الحجم الفعلي للهواء الداخل إلى الأسطوانة إلى السعة الهندسية للأسطوانة. القيود مثل مرشحات الهواء المتسخة، أو رواسب الكربون في منافذ السحب، أو التصميم السيئ للمشعب تقلل بشكل مباشر من هذه الكفاءة. إذا لم تتمكن الأسطوانة من التنفس بحرية، فلن يتمكن المحرك من إنتاج الحد الأقصى من الطاقة المقدرة بغض النظر عن كمية الوقود التي يتم حقنها.
بمجرد وصول المكبس إلى BDC، يغلق صمام السحب، مما يؤدي إلى إغلاق غرفة الاحتراق بالكامل. ثم يعكس المكبس اتجاهه، ويعود إلى TDC. ونظرًا لأن كلا الصمامين مغلقان، فلا يوجد مكان للهروب من خليط الهواء/الوقود المحتبس. يعمل هذا الإجراء الميكانيكي على ضغط الشحنة، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارتها وطاقتها الكامنة بشكل كبير استعدادًا للاشتعال.
تعد نسبة الضغط (على سبيل المثال، 10:1 أو 12:1) أحد عوامل اتخاذ القرار الحاسمة في تصميم المحرك. تؤدي النسب الأعلى بشكل عام إلى كفاءة حرارية وطاقة أفضل. ومع ذلك، فإنها تزيد أيضًا من خطر الضرب أو الاشتعال المسبق، حيث يشتعل الوقود تلقائيًا بسبب الحرارة والضغط قبل أن تشتعل شمعة الإشعال. لإدارة ذلك، تتطلب المحركات عالية الضغط وقودًا عالي الأوكتان، والذي يقاوم الاشتعال الذاتي. يجب على المشغلين تحقيق التوازن بين مكاسب الكفاءة الناتجة عن الضغط العالي مقابل التكلفة التشغيلية المتزايدة للوقود المتميز.
هذه المرحلة هي نبض قلب المحرك. قبل أن يصل المكبس إلى TDC مباشرة، يحدث حدث الإشعال. في محرك البنزين، تشتعل شمعة الإشعال؛ وفي محرك الديزل، تؤدي حرارة الضغط إلى إشعال الوقود المحقون. يؤدي التمدد السريع للغازات إلى ممارسة قوة هائلة على رأس المكبس، مما يدفعه بعنف نحو الأسفل باتجاه BDC. هذه هي السكتة الدماغية الوحيدة في الدورة بأكملها التي تنتج طاقة قابلة للاستخدام.
ونظرًا لأن الطاقة يتم توليدها مرة واحدة فقط كل دورتين، فإن المحرك يعتمد بشكل كبير على دولاب الموازنة . تقوم هذه الكتلة الدوارة الثقيلة بتخزين الطاقة الحركية من شوط القدرة وتحررها لدفع المكبس خلال أشواط العادم والسحب والضغط اللاحقة. على عكس توصيل الطاقة الحاد والمتكرر لدورة ثنائية الأشواط ، يوفر التكوين رباعي الأشواط قوة أكثر سلاسة وسهولة في التعامل. وهذا يقلل الضغط على المكونات الداخلية، مما يساهم في تعزيز سمعة المحرك فيما يتعلق بطول العمر.
المرحلة النهائية تمهد الطريق للدورة القادمة. أثناء انتقال المكبس من BDC إلى TDC، ينفتح صمام العادم. يقوم المكبس المرتفع بدفع غازات الاحتراق المستهلكة فعليًا خارج الأسطوانة إلى مجمع العادم. تُعرف هذه العملية باسم الكسح.
غالبًا ما تظهر مخاطر الكفاءة هنا في شكل ضغط عكسي. إذا كان نظام العادم مقيدًا - ربما بسبب انسداد المحول الحفاز أو كاتم الصوت المسحوق - فيجب أن يستهلك المحرك طاقة قيمة في ضخ الغاز للخارج. يؤدي فقدان الضخ هذا إلى استنزاف الطاقة التي كان ينبغي أن تذهب إلى العمود المرفقي، مما يجبر المحرك على العمل بجهد أكبر واستهلاك المزيد من الوقود للحفاظ على نفس السرعة.
يعد الاختيار بين بنيات المحرك بمثابة مقايضة بين كثافة الطاقة والاستقرار التشغيلي. يجب على المشترين تقييم ما إذا كان تطبيقهم يتطلب قوة انفجار خام أو موثوقية مستدامة وفعالة.
الفرق الأساسي يكمن في تردد إطلاق النار. يشتعل المحرك ثنائي الأشواط مرة واحدة كل دورة في العمود المرفقي. من الناحية النظرية، هذا يسمح لها بإنتاج قوة مضاعفة من 4 أشواط من نفس الإزاحة. هذه المحركات أيضًا أبسط، وتفتقر إلى قطارات صمامات معقدة، مما يجعلها أخف وزنًا وأكثر قوة. إن نسبة القوة إلى الوزن هذه تجعلها الخيار الأمثل للأدوات المحمولة مثل المناشير وآلات تشذيب الأعشاب، حيث يكون إجهاد المشغل من وزن المعدات بمثابة مؤشر أداء رئيسي.
وعلى العكس من ذلك، يعمل محرك الدورة رباعي الأشواط مرة واحدة كل دورتين. إنها تحمل وزنًا إضافيًا بسبب أعمدة الكامات والصمامات وسلاسل التوقيت وأحواض الزيت. ومع ذلك، فإن هذه الكتلة والتعقيد الإضافيين توفر متانة فائقة. ينتشر توصيل الطاقة على نطاق عزم دوران أوسع وأكثر قابلية للاستخدام، مما يجعله أكثر ملاءمة للمركبات والمولدات الصناعية والآلات الثقيلة التي تعمل لساعات أو أيام في المرة الواحدة.
عند تحليل OpEx طويل المدى، عادةً ما يفوز المحرك رباعي الأشواط. يعد الاقتصاد في استهلاك الوقود عامل تمييز رئيسي. تستهلك المحركات رباعية الأشواط عادةً وقودًا أقل بنسبة 30-50% لنفس الناتج مقارنةً بأبناء عمومتها ثنائي الأشواط. وذلك لأن الأشواط الأربعة لها شوط عادم مخصص، مما يمنع الوقود غير المحترق من الهروب من منفذ العادم - وهو عدم كفاءة شائع يُعرف باسم قصر الدائرة في التصميمات ثنائية الأشواط.
يعد الامتثال البيئي عاملاً حاسماً آخر. جعلت معايير الانبعاثات الصارمة لوكالة حماية البيئة (EPA) واليورو (EPA) المحرك رباعي الأشواط ضروريًا لمعظم التطبيقات الحديثة. تطلق المحركات ثنائية الشوط مزيجًا من الوقود والزيت غير المحترق في الغلاف الجوي بسبب فقدان أنظمة التشحيم الخاصة بها. في المقابل، فإن منطق التشحيم في رباعي الأشواط متميز: يتم الاحتفاظ بالزيت في علبة المرافق ولا يشارك في الاحتراق. يؤدي ذلك إلى التخلص من تكلفة الخلط المسبق للوقود ومتاعبه ويمنع مشاكل الصيانة الشائعة مثل تلوث شمعات الإشعال وتراكم الكربون في منفذ العادم.
يساعد فهم قائمة أجزاء المحرك رباعي الأشواط في التنبؤ بميزانيات الصيانة وتوقع تعقيدات الإصلاح. الأجزاء الإضافية المطلوبة للدورة رباعية الأشواط هي المحركات الأساسية لجدول الصيانة الخاص بها.
تعمل مجموعة الصمامات بمثابة عقل المحرك، حيث تقوم بتوقيت تبادل الهواء بدقة لتتناسب مع حركة المكبس. بينما تعتمد المحركات ثنائية الأشواط على منافذ بسيطة مقطوعة في جدار الأسطوانة، تستخدم المحركات رباعية الأشواط صمامات السحب والعادم المتحركة، والنوابض، والمثبتات، والهزازات التي يتم تشغيلها بواسطة عمود الحدبات.
يقدم هذا التعقيد مخاطر صيانة محددة: تعديلات الصمامات/التخليص . بمرور الوقت، يمكن أن يؤدي التآكل المعدني إلى تغيير الفجوة بين الذراع المتأرجح وساق الصمام. إذا كانت الفجوة ضيقة للغاية، فقد لا تغلق الصمامات بشكل كامل، مما يؤدي إلى احتراق الصمامات وفقدان الضغط. إذا كان مرتخيًا جدًا، يصبح المحرك صاخبًا ويفقد قوة الرفع، مما يقلل الطاقة. غالبًا ما يؤدي إهمال هذه التعديلات إلى ظروف بدء صعبة يلقي المشغلون باللوم فيها عن طريق الخطأ على نظام الوقود.
في المحرك رباعي الأشواط، يوجد الزيت في خزان - عادة ما يكون حوضًا مبللاً في الجزء السفلي من المحرك - ويتم توزيعه بواسطة مضخة تحت الضغط. يضمن هذا التصميم أن المكونات المهمة مثل دفاتر العمود المرفقي، ومحامل الكامات، وقضبان التوصيل ترتكز على طبقة هيدروديناميكية من الزيت.
تأثير عمر هذا النظام عميق. إنه يوفر حماية فائقة مقارنةً بالتشحيم الرذاذي ثنائي الأشواط، حيث يتم خلط الزيت مع الوقود الوارد فقط. ونتيجة لذلك، غالبًا ما يتم قياس عمر المحرك رباعي الأشواط بآلاف الساعات بدلاً من مئات. ومع ذلك، يقدم هذا النظام نقاط فشل: يمكن أن تفشل مضخات الزيت، ويمكن أن تتسرب الأحواض. الحفاظ على مستويات الزيت المناسبة أمر غير قابل للتفاوض من أجل البقاء.
بمجرد تحديد البنية رباعية الأشواط، يكون القرار التالي هو نوع الوقود. يتبع كلا الخيارين نفس التسلسل الميكانيكي رباعي الأشواط لكنهما يستخدمان استراتيجيات إشعال مختلفة جذريًا ومناسبة لأدوار صناعية مختلفة.
يعتمد محرك البنزين رباعي الأشواط على شمعة الإشعال لإشعال شحنة مختلطة مسبقًا من الهواء والوقود. هذه المحركات عمومًا أخف وزنًا وأرخص في التصنيع من محركات الديزل لأنها لا تحتاج إلى تحمل مثل هذه الضغوط الداخلية الشديدة للأسطوانة.
إنها توفر استجابة أسرع للخانق وتشغيلًا أكثر هدوءًا، مما يجعلها المعيار لسيارات الركاب ومعدات البناء الخفيفة والآلات المحمولة. ومع ذلك، يتمتع البنزين بكثافة طاقة أقل من الديزل، مما يؤدي عمومًا إلى ارتفاع استهلاك الوقود لكل كيلووات/ساعة من الإنتاج.
يعمل على محرك الديزل رباعي الأشواط مبدأ الاشتعال بالضغط. أثناء شوط السحب، فإنه يسحب الهواء فقط . تقوم شوط الانضغاط بضغط هذا الهواء بإحكام شديد (نسب من 16:1 إلى 25:1) بحيث ترتفع درجة الحرارة إلى ما هو أبعد من نقطة الاشتعال الذاتي لوقود الديزل. عندما يتم حقن الوقود بالقرب من TDC، فإنه يشتعل على الفور بدون شمعة إشعال.
وتشمل المزايا كفاءة حرارية أعلى بكثير وإخراج عزم دوران هائل عند عدد دورات منخفض في الدقيقة. وهذا يجعل الديزل رباعي الأشواط ملك النقل الثقيل وتوليد الطاقة للخدمة المستمرة والآلات الزراعية. في حين أن تكلفة الشراء مقدمًا أعلى بسبب البناء القوي للكتل وأنظمة الحقن عالية الضغط، فإن توفير الوقود في سيناريوهات الاستخدام العالي عادةً ما يعوض الاستثمار.
إن تجاوز سعر الشراء الأولي يكشف عن التكلفة الحقيقية لتشغيل محرك رباعي الأشواط. تعد بروتوكولات الصيانة أكثر صرامة من المحركات الأبسط، لكن الالتزام بها يضمن عمر الخدمة الطويل الذي تشتهر به هذه المحركات.
إن تغيير الزيت هو مهمة الصيانة الأكثر أهمية. ونظرًا لأن الزيت يدور بشكل متكرر بدلاً من احتراقه، فإنه يصبح في النهاية ملوثًا بمنتجات الاحتراق الثانوية والأحماض والجزيئات المعدنية. يعد تغيير الزيت على فترات زمنية محددة (على سبيل المثال، كل 3000 ميل أو 50 ساعة تشغيل) أمرًا إلزاميًا. يعد استخدام المواصفات الصحيحة أمرًا حيويًا بنفس القدر؛ يمكن أن يؤدي وضع زيت ثنائي الدورة في حوض ذو 4 دورات إلى فشل كارثي في المحامل لأن الزيت ثنائي الدورة يفتقر إلى المنظفات ومعدلات اللزوجة المطلوبة لأنظمة الحوض المضغوط.
تعد إدارة المرشح ركيزة أخرى لموثوقية رباعي الأشواط. تعتمد هذه المحركات بشكل كبير على مرشحات الزيت لاحتجاز الملوثات قبل أن تتمكن من تنظيف المحامل. يؤدي إهمال تغييرات الفلتر إلى إجبار الصمام الالتفافي على الفتح، مما يؤدي إلى تعميم الزيت غير المفلتر عبر المحرك وإبطال فوائد النظام المضغوط.
يمكن للفنيين في كثير من الأحيان تشخيص مشكلات وقود المحرك رباعي الأشواط والمشكلات الميكانيكية بمجرد ملاحظة دخان العادم:
الدخان الأزرق: يشير هذا عادةً إلى دخول الزيت إلى غرفة الاحتراق واحتراقه. تشمل الأسباب الشائعة حلقات المكبس البالية، أو جدران الأسطوانات المسجلة، أو تسرب أختام جذع الصمام.
الدخان الأسود: يشير هذا إلى وجود خليط غني – الكثير من الوقود أو القليل جدًا من الهواء. غالبًا ما يشير هذا إلى وجود قيود على دخول الهواء (الفلتر المتسخ) أو تسرب حاقن الوقود.
فقدان الضغط: إذا انقلب المحرك بسهولة لكنه رفض التشغيل، فمن المحتمل أن يكون قد فقد الضغط. يشير هذا عادةً إلى أن الصمام لا يجلس بشكل صحيح، ربما بسبب تراكم الكربون الذي يبقيه مفتوحًا، أو بسبب انزلاق توقيت الصمام.
تتاجر الدورة رباعية الأشواط بالبساطة الميكانيكية من أجل الكفاءة والنظافة والمتانة. على الرغم من أنها تشتمل على المزيد من الأجزاء المتحركة - مثل الصمامات وأعمدة الكامات وأنظمة التوقيت - إلا أن الفصل بين عمليات التشحيم والاحتراق يجعلها الخيار الأفضل للتطبيقات الأكثر موثوقية وطويلة الأمد. ومن خلال عزل أحداث السحب والضغط والطاقة والعادم، يعمل هذا التصميم على زيادة الطاقة المستخرجة من كل قطرة وقود مع تلبية المعايير البيئية الحديثة.
بالنسبة للتطبيقات التي لا يمثل فيها الوزن المنخفض للغاية القيد المطلق، يوفر المحرك رباعي الأشواط تكلفة ملكية إجمالية أقل بكثير. إن انخفاض استهلاك الوقود والانبعاثات النظيفة وعمر الخدمة الممتد يجعله استثمارًا ذكيًا للصناعات التي تتراوح من الخدمات اللوجستية إلى توليد الطاقة. يتيح فهم هذه الضربات للمشغلين الحفاظ على هذا الأصل بفعالية، مما يضمن تقديم أعلى أداء لآلاف الساعات.
ج: لا. يعمل المحرك رباعي الأشواط مرة واحدة كل دورتين كاملتين للعمود المرفقي (720 درجة). وهذا يختلف عن المحركات ثنائية الشوط، التي تعمل مرة واحدة في كل دورة.
ج: تم تصميم الزيت رباعي الأشواط ليبقى في الحوض ويعاد تدويره. إذا تم استخدامه في شوطين (حيث يجب أن يختلط بالغاز ويحترق)، فسوف يترك رواسب كربون ثقيلة (رماد) ويفسد شمعة الإشعال ومنافذ العادم.
ج: نظرًا لأنه يحتوي على شوط عادم وشوط سحب مخصصين، فإنه لا ينفخ الوقود غير المحترق من أنبوب العادم أثناء عملية الكسح، وهو ما يعد عدم كفاءة شائعة في المحركات ثنائية الشوط.
ج: التعقيد والوزن. لديهم المزيد من الأجزاء المتحركة (الصمامات، الكامات، سلاسل التوقيت) مما يجعلها أثقل وأكثر تكلفة في التصنيع من المحركات ثنائية الشوط المماثلة.
