شرح تكوينات المحركات: المحركات المستقيمة وعلى شكل V والمحركات المسطحة

في فجر القرن العشرين، حين كانت هندسة السيارات تتقدم بخطى متسارعة، كان بإمكان محرك سعته عشرة لترات أن يكون وحيد الأسطوانة، أو محركاً مستقيماً بثماني أسطوانات. في تلك الحقبة، لم يُفاجأ أحد من محرك مستقيم بستة أسطوانات سعته 23 لتراً، أو من محرك طائرة شعاعي بسبع أسطوانات مُركَّب في سيارة.

مع توسُّع الإنتاج الضخم واشتداد ضغوط التكلفة، انتظم كل شيء في مكانه. أصبح المحرك أحادي الأسطوانة من مخلفات الماضي. واليوم، يتراوح متوسط إزاحة الأسطوانة في محرك السيارة الاعتيادي بين 300 و600 سنتيمتر مكعب، مع إخراج نوعي يتراوح من نحو 35 حصاناً لكل لتر في محرك ديزل طبيعي التنفس، إلى 100 حصان لكل لتر في محرك بنزين عالي الأداء. هذه هي النقاط المثلى للإنتاج الضخم — فالخروج عنها ليس اقتصادياً.

إذن كيف يبدو المشهد الحالي للمحركات؟ بشكل عام:

• يمتلك محرك بقوة 100 حصان عادةً أربع أسطوانات
• يعمل محرك بقوة 200 حصان في الغالب بأربع أو خمس أو ست أسطوانات
• يستخدم محرك بقوة 300 حصان عادةً ثماني أسطوانات

لكن كيف يمكن ترتيب هذه الأسطوانات فعلياً؟ ما خيارات التصميم المتاحة للمهندسين عند تصميم محرك متعدد الأسطوانات؟ دعنا نشرح ذلك.

المحركات المستقيمة: بسيطة لكنها غير عملية بشكل متزايد

السؤال الأول الذي يشغل ذهن أي مصمم محركات هو كيفية تبسيط التصميم — مع إبقاء تكاليف الإنتاج منخفضة والصيانة سهلة. في هذا الجانب، يتفوق المحرك المتوالي (المستقيم) بلا منازع. تُرتَّب الأسطوانات في صف واحد، وتوسيع السعة سهل كإضافة المزيد منها.

إليك كيف تتوزع أنواع المحركات المتوالية عملياً:

• محركات الأسطوانتين والثلاث أسطوانات نادرة نسبياً في السيارات، وإن كان نوع الأسطوانتين يعود للظهور بفضل حقن الوقود المتقدم والشحن التربيني — ويُعدّ المحرك التربيني بأسطوانتين وقوة 85 حصاناً في فيات 500 مثالاً بارزاً على ذلك.
• المحرك المستقيم بأربع أسطوانات هو حصان العمل في عالم سيارات الركاب، ويغطي إزاحات تتراوح من 1.0 إلى 2.4 لتر.
• محركات الخمس أسطوانات المستقيمة تطور أحدث نسبياً. رائدت مرسيدس-بنز محرك الديزل بخمس أسطوانات عام 1974 (طراز 300D على منصة W123)، تلتها أودي بمحرك بنزين بخمس أسطوانات وسعة لترين بعد عامين، ثم انضمت فولفو وفيات في أواخر الثمانينيات.
• محركات الست أسطوانات المستقيمة، التي طالما كانت المفضلة الأوروبية لنعومتها، باتت نادرة بشكل متزايد. أما شقيقها الأطول، المحرك المستقيم بثماني أسطوانات، فقد هُجر فعلياً منذ ثلاثينيات القرن الماضي.

سبب هذا التوجه واضح: كلما أضفت أسطوانات أكثر، طال المحرك أكثر — مما يُسبب صعوبات جمّة في التغليف. تركيب محرك مستقيم بست أسطوانات بشكل عرضي في حجرة محرك ذي دفع أمامي، على سبيل المثال، نُجح فيه في حالات نادرة فحسب: أوستن ماكسي 2200 (التي تطلبت إخفاء علبة التروس أسفل المحرك)، وفولفو S80 بعلبة تروسها فائقة الضغط.

المحركات على شكل V والمحركات المسطحة: مدمجة لكنها معقدة

إذن، كيف تُقصِّر المحرك المتوالي؟ الحل الأنيق: قسِّمه إلى نصفين، ضع النصفين جنباً إلى جنب، وادفع عموداً مرفقياً واحداً بكليهما. هذا هو جوهر المحرك على شكل V.

تستخدم تكوينات محرك V الأكثر شيوعاً زاوية مقدارها 60° أو 90° بين ضفتي الأسطوانات. ادفع هذه الزاوية حتى 180° — بحيث تتجه الأسطوانات مباشرة بعيداً عن بعضها — وستحصل على محرك مسطح، المعروف أيضاً بـالمحرك الملاكم (ومن هنا تأتي تسميات B2 وB4 وB6).

المقايضات مقارنة بالمحرك المستقيم جوهرية:

• رأسا أسطوانات — لكل منهما حشيته ومشعباته الخاصة
• عدد أكبر من عمود الكامات وترتيب أكثر تعقيداً لقيادة الصمامات
• عرض أكبر (خاصة في المحركات المسطحة)، مما يُحدِّد أماكن تركيبها
• تكلفة تصنيع أعلى وصيانة أكثر تعقيداً

بسبب هذه السلبيات، لا تستخدم المحركات المسطحة إلا عدد قليل من الشركات المصنِّعة — بورشه وسوبارو هما الأبرز اليوم.

ماذا عن جعل محرك V أكثر إحكاماً بتقليص الزاوية دون 60°؟ لقد جُرِّب ذلك — كانت لانشيا فولفيا في سبعينيات القرن الماضي تعمل بمحرك V4 بزاوية 23° فحسب. لكن ثمة محذور: كلما ضاقت الزاوية، صعُب موازنة المحرك. وهذا ما يقودنا إلى أحد أكثر التحديات أهمية في تصميم المحركات.

اهتزاز المحرك: القوى وعزوم الدوران وكيفية ترويضها

لا يخلو أي محرك احتراق داخلي مكبسي تماماً من الاهتزاز — فهو متأصِّل في التصميم. لكن إدارة الاهتزاز أمر بالغ الأهمية، وليس فقط لراحة الركاب. فالاهتزاز الشديد غير المتوازن قادر على تدمير مكونات المحرك فعلياً، مع كل العواقب الكارثية التي تترتب على تطاير الأجزاء بسرعات عالية.

من أين يأتي اهتزاز المحرك؟ ثمة ثلاثة مصادر رئيسية:

• فترات الإشعال غير المتساوية — في بعض تكوينات المحرك، لا تنطلق أشواط القدرة بفترات متساوية تماماً، مما يُنتج تموجاً في العزم. يمكن لعجلة الدولاب الأثقل وزناً أن تساعد في تنعيم ذلك.
• قوى القصور الذاتي للمكابس — حين تتسارع المكابس للأعلى وتتباطأ في قمة شوطها (والعكس في الأسفل)، تولِّد قوى قصورية مشابهة لما تشعر به حين تُكبح سيارة أو تتسارع.
• هندسة ذراع التوصيل — لا تسير ذراع التوصيل في خط مستقيم، وحركة المكبس ليست جيباً تاماً، مما يُدخل مركبات قوى إضافية عند مضاعفات سرعة عمود المرفق.

هذه القوى القصورية ذات الرتب الأعلى ضئيلة عموماً — باستثناء قوى الرتبة الثانية، التي تعمل بضعفي تردد عمود المرفق ويجب دائماً أخذها بعين الاعتبار. وحين تعمل القوى القصورية في أسطوانات متجاورة باتجاهات معاكسة على مسافة ثابتة من بعضها، فإنها تُولِّد أيضاً ثنائيات عزم، مما يُضيف طبقة أخرى من التعقيد.

لدى المهندسين أداتان رئيسيتان لمكافحة هذه القوى:

• اختيار تكوين متوازن بطبيعته — ترتيب الأسطوانات وذراعات عمود المرفق بحيث تتلاشى القوى والعزوم بعضها بعضاً بشكل طبيعي.
• إضافة أعمدة موازنة — أعمدة ثانوية مزوَّدة بأثقال موازنة تدور بعكس اتجاه عمود المرفق، فتولِّد قوى مساوية ومعاكسة. تُضيف هذه الأعمدة تكلفة وتعقيداً ميكانيكياً، لكنها قادرة على تحييد أنماط الاهتزاز الإشكالية كلياً.

من بين جميع تخطيطات المحركات الشائعة، يُعدّ اثنان فقط متوازنَين نظرياً بشكل مثالي: المحرك المستقيم بست أسطوانات والمحرك المسطح بست أسطوانات. وهذا بالضبط ما جعل BMW وبورشه يتمسكان بهذين التكوينين بشدة — ولماذا تحجّم الآخرون عن التخلي عنهما رغم تحديات التغليف.

توازن المحرك حسب التكوين: دليل عملي

دعنا نستعرض كيف يؤدي كل تكوين رئيسي للمحرك أداءه في الواقع العملي من حيث الاهتزاز والتوازن.

المحركات المستقيمة بأسطوانتين (ذراعا المرفق في الاتجاه ذاته) تتصرف في التوازن بشكل مشابه للمحرك أحادي الأسطوانة — يصعد المكبسان وينزلان في طور واحد. استخدمت السيارة الروسية أوكا عمودَي موازنة معاكسَي الدوران لمعالجة قوى القصور الذاتي من الرتبة الأولى، لكن قوى الرتبة الثانية تُركت دون معالجة. إضافة عمودَي موازنة آخرَين كانت ستكون غير عملية كلياً في سيارة صغيرة وزهيدة الثمن كهذه. وقد تخلَّت محركات أسطوانتين كثيرة — كمحرك فيات 500 الأصلي عام 1957 وتاتا نانو الهندية — عن أعمدة الموازنة تماماً، معتمدةً على وسادات تثبيت المحرك المرنة لامتصاص الاهتزاز. حل رخيص وبسيط ومقبول للتطبيقات الاقتصادية.

محركات الأسطوانتين بذراعَي مرفق بزاوية 180° (مكابس تتحرك في طور معاكس) توفر توازناً أولياً أفضل، لكنها لا تستطيع تحقيق فترات إشعال متساوية إلا في صيغة ثنائية الأشواط — كما استُخدم في سيارات DKW ما قبل الحرب الثانية وخلَفها، الترابانت ألمانية الشرقية.

محركات V المزدوجة لا تزال موجودة اليوم تقريباً حصرياً في الدراجات النارية — هارلي-ديفيدسون ومقلديها اليابانيون المثال الأوضح. تُعدّ NAMI-1 الوحيدة تقريباً من السيارات التي استخدمت هذا التخطيط. يمكن للأثقال الموازنة على عمود المرفق أن تقرِّبها من التوازن الكامل، لكن فترات الإشعال المتساوية تظل بعيدة المنال.

محركات الثلاث أسطوانات توازنها أسوأ من المحرك المستقيم بأربع أسطوانات. تُركِّب شركات كسوبارو وديهاتسو أعمدة موازنة كأمر قياسي؛ أما قرار أوبل بتخطي هذا الخيار في محرك إيكوتك بثلاث أسطوانات في الجيل الثاني من الكورسا فقد وفَّر تكلفة لكنه أكسب السيارة سمعة خشنة لدى الصحافة الموتورية الألمانية بعد إطلاقها عام 1996 — إذ وصفت بأنها “مستحيلة القيادة كلياً في المدينة بأوضاع متغيرة.”

المحركات المستقيمة بأربع أسطوانات — أكثر التخطيطات شيوعاً في العالم — تمتلك قوة قصور ذاتي حرة من الرتبة الثانية لا يمكن تحييدها إلا بعمود موازنة يدور بضعفي سرعة عمود المرفق. وللغاء ثنائية العزم الناتجة، يلزم عمود ثانٍ معاكس الدوران. مكلف بالتأكيد — لكن ميتسوبيشي وساب وفورد وفيات ومجموعة فولكس فاغن جميعها اعتمدت هذا الحل حين اقتضى التطور ذلك.

المحركات المسطحة بأربع أسطوانات أفضل قليلاً من نظيراتها المتوالية — إذ لا يبقى سوى ثنائية عزم من الرتبة الثانية تميل إلى إدارة المحرك حول محوره الرأسي. ومع ذلك، نجح كل من محرك الخنفساء مبرَّد الهواء ووحدات ملاكمة سوبارو في الاستغناء عن أعمدة الموازنة لعقود.

المحركات المستقيمة بخمس أسطوانات تمتلك قوى قصورية أولية متوازنة، لكنها تعاني من عزم انحناء متدحرج يتنقل باستمرار عبر الكتلة — مما يتطلب بنية صلبة استثنائياً. تعاملت مرسيدس-بنز وأودي وفولفو مع هذا التحدي من خلال وسادات تثبيت محكمة وأثقال موازنة (كما في المحرك المضغوط TFSI 2.5 في أودي TT RS)، بينما ذهب مهندسو فيات أبعد من ذلك واستخدموا عمود موازنة كامل.

ملاحظة مثيرة: تقريباً جميع محركات الخمس أسطوانات هي في جوهرها محركات بأربع أسطوانات مع أسطوانة إضافية مُضافة. يتيح هذا النهج المعياري مشاركة المكابس وذراعات التوصيل ومكونات نظام الصمامات — إذ لا يحتاج إلى تغيير سوى الكتلة والرأس وعمود المرفق (بذراعات بزوايا 72°).

محركات V6 التي حلَّت محل محركات الست المستقيمة تشترك في خصائص التوازن ذاتها للمحرك ثلاثي الأسطوانات — أي ليست مثالية. أول محرك V6 من مرسيدس-بنز (M112 بثلاثة صمامات لكل أسطوانة) عالج هذا بعمود موازنة في الوادي بين الضفتين. ووضعت مجموعة PSA محرك السعة الثلاثة لترات بست أسطوانات عموداً في رأس الأسطوانة. فضَّل مصنِّعون آخرون الاعتماد على إزاحة دقيقة لدبابيس المرفق — كما يُرى في V6 أودي — لتقليل الاهتزاز دون تعقيدات إضافية. تُضيف محركات V6 بزاوية 90° إشكالية أخرى: فترات إشعال غير متساوية بطبيعتها لا يستطيع عجلة الدولاب الثقيلة تنعيمها إلا جزئياً.

محركات V8 بزاوية ضفتين 90° وذراعات عمود المرفق في مستويَين متعامدَين متبادلَين متوازنة جداً. يمكن تحقيق فترات إشعال متساوية، ولا تتبقى سوى ثنائيتا عزم يسهل معالجتهما بأثقال موازنة على مجلتَي عمود المرفق الطرفيتين. وهذا جزء كبير من سبب تبنِّي المهندسين الأمريكيين لمحرك V8 بحماس: فهم ببساطة لا يتسامحون مع الاهتزاز.

محركات V4 كانت نادرة وباتت في حكم المنقرضة في السيارات. احتاج كل من محرك فورد الأوروبي V4 (المستخدم في تاونوس وكابري وساب 96) ومحرك زاباروجيتس الغريب V4 إلى عمود موازنة لثنائيات العزم من الرتبة الأولى. الإحكام والتكلفة كانا العاملَين المحرِّكَين — أما التوازن فكان ثانوياً.

محركات V10 تشترك في خصائص التوازن ذاتها للمحرك المستقيم بخمس أسطوانات. لم يَحُل ذلك دون توظيفها في محركات الفورمولا 1 ودودج فايبر ودودج RAM — فحين تحتاج القدرة، تُدير الاهتزاز.

أما التخطيطات الأكثر غرابة، فإن المحرك المسطح بثماني أسطوانات (كما استُخدم في سيارات السباق بورشه 917) هو في جوهره محركان مسطحان بأربع أسطوانات على عمود مرفق مشترك، بينما يُختزل محركا V12 والمسطح 12 إلى محركَين مستقيمَين بست أسطوانات — مما يفسر نعومتهما الاستثنائية.

محركات VR6 وVR5 وW: براعة فولكس فاغن في التغليف

أشرنا سابقاً إلى محركات V الضيقة الزاوية كلانشيا فولفيا. لعقود ظلت هذه المحركات مُتجنَّبة — يصعب موازنتها أكثر من تخطيطات 60° أو 90°، ومكاسب التغليف لم تكن تستحق العناء. ثم تبدَّلت الأولويات.

تطوران غيَّرا قواعد اللعبة:

• وسادات تثبيت المحرك الهيدروليكية أصبحت متاحة على نطاق واسع، مما كبح انتقال الاهتزاز بصرف النظر عن التوازن النظري للمحرك.
• الحيز تحت غطاء المحرك بات شحيحاً بصورة متزايدة، مما جعل الإحكام ميزة نفيسة. من كان يتخيَّل أن هاتشباك متواضعة تخفي محركاً بست أسطوانات وسعة 2.8 لتر؟ فولكس فاغن حققت ذلك.

يأخذ فولكس فاغن VR6 — “VR” اختصار لـV-Reihen (V-متوالي) — مفهوم الزاوية الضيقة إلى أبعد مما وصلت إليه لانشيا، بزاوية 15° فحسب بين الضفتين. النتيجة مدمجة لدرجة أنها تعمل عملياً كمحرك متوالٍ متباين، وتستخدم بشكل لافت رأس أسطوانة واحدة للضفتين كلتيهما. محرك بست أسطوانات وسعة 2.8 لتر يتناسب حيث لا يتسع محرك V6 تقليدي — أُطلق مع الجيل الثالث من فولكس فاغن غولف.

من هناك، انطلق مهندسو فولكس فاغن بالمفهوم:

• جاء VR5 كمحرك VR6 بأسطوانة منزوعة.
• جمع W8 وحدتَي VR مقصَّرتَين (أربع أسطوانات لكل منهما) على عمود مرفق واحد — رُكِّب في سيارة باسات الفخمة.
• ظهر W12 عام 1998 في مفهوم W12 رودستر: محركا VR6 متصلان بزاوية 72° على عمود مرفق واحد.
• يُشغِّل W16 — بأربعة شاحنات تربينية — بوغاتي فيرون لبلوغ 431 كم/ساعة، مما يجعله التطبيق الإنتاجي الأشد تطرفاً لهذه البنية.

لماذا لم تكن هذه التخطيطات موجودة من قبل؟ التصميم بمساعدة الحاسوب الحديث جعلها ممكنة. إن تحسين الزاوية ومواضع دبابيس المرفق وترتيب الإشعال وخصائص التوازن عبر هذه الهندسات المعقدة كان مستحيلاً عملياً دون قوة الحوسبة المتاحة منذ تسعينيات القرن الماضي فصاعداً. عمود مرفق محرك W12 وحده كابوس للتشغيل الآلي — النوع من القطع الذي لا معنى له إلا حين وثَّق الحاسوب كل تفاوت.

ما الذي يهم فعلاً في تصميم المحركات الواقعي

إن كان ثمة درس واحد تستخلصه من كل هذا، فهو أن التوازن النظري نادراً ما يكون العامل الحاسم حين يختار المهندس تخطيطاً للمحرك. الأولويات الحقيقية هي:

• التغليف — هل يناسب حجرة المحرك؟
• الوزن وكثافة القدرة — ما أفضل نسبة للتطبيق؟
• تكلفة الإنتاج — هل يمكنه مشاركة المكونات عبر نطاق الطرازات؟
• المعيارية — يبني المصنِّعون بشكل متزايد عائلات محركات كاملة من بنية مكبس واستطالة مشتركة، من وحدات اقتصادية بثلاث أسطوانات وصولاً إلى رائدات باثنتَي عشرة أسطوانة

تُعدّ تشكيلة محركات مرسيدس-بنز الحالية مثالاً كتابياً للنهج المعياري: بنية مشتركة تُشكِّل أساس المحركات عبر مخرجات قدرة وأعداد أسطوانات متباينة جداً.

وفيما يخص الاهتزاز — يستحق التذكير أن التوازن النظري والفعلي شيئان مختلفان تماماً. حتى محرك مستقيم بست أسطوانات متوازن مثالياً نظرياً سيهتز إن لم يُوازَن مجموعة عموده المرفقي بشكل صحيح، أو إن تفاوتت مكابسه وذراعات توصيله بشكل ملحوظ في الوزن. تفاوتات الإنتاج الفعلية وتشوُّه المكونات تحت الحِمل تعني أن أي محرك لا يكون أبداً بالنعومة التي تُشير إليها المعادلات. ولهذا فإن تصميم وسادات تثبيت المحرك — الطريقة التي يُعزَل بها المحرك عن بقية السيارة — لا يقل أهمية عن التخطيط ذاته. وأحياناً يفوقه.

هذه ترجمة. يمكنك قراءة النص الأصلي هنا: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html