يشير مصطلح “رأس المحرك” عادةً إلى رأس الأسطوانة في محرك الاحتراق الداخلي. يعد رأس الأسطوانة أحد المكونات المهمة للمحرك حيث يقع أعلى كتلة المحرك ويغطي الأسطوانات. يحتوي على مكونات مختلفة ويؤدي وظائف مهمة داخل نظام المحرك.
كيف يعمل رأس المحرك؟
يقع رأس المحرك فوق كتلة المحرك ويحتوي على الصمامات التي تتحكم في تدفق الهواء والوقود إلى الأسطوانات وإطلاق غازات العادم من الأسطوانات. يقوم عمود الكامات بفتح وإغلاق الصمامات على فترات زمنية محددة، مما يسمح لخليط الهواء والوقود بالدخول وطرد الغازات المحترقة إلى الخارج. كما يحتوي الرأس على حجرات يحدث فيها جزء من عملية احتراق خليط الهواء والوقود، وهو المسؤول عن توليد الطاقة اللازمة لتحريك السيارة. وهذا ما يجعل رأس المحرك جزءًا لا يتجزأ من السيارة ذات محرك الاحتراق الداخلي.
ما هي المواد المستخدمة لصنع رأس المحرك؟
تُصنع رؤوس المحرك عادةً من مواد يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية والانضغاط والضغوط الميكانيكية فضلاً عن توفير موصلية حرارية جيدة. يعد الألومنيوم والحديد الزهر والمواد المركبة من أكثر المواد شيوعًا المستخدمة في تصنيع رؤوس المحركات.
غرف رأس المحرك
غرف الاحتراق
يضم رأس الأسطوانة غرف احتراق حيث يتم إشعال وحرق خليط الهواء والوقود، مما يولد الطاقة التي تعطي المحرك الدفع والطاقة.
كراسي الصمام
كراسي أو مقاعد الصمامات عبارة عن أسطح ممكننة في رأس الأسطوانة بحيث تتلامس الصمامات عند إغلاقها. توفر إغلاقًا محكمًا لمنع غازات الاحتراق من التسرب أثناء مرحلتي الضغط والاحتراق.
منافذ السحب ومنافذ العادم
هي ممرات تسمح بدخول الهواء النقي والوقود وطرد غازات العادم. ويؤثر تصميم هذه المنافذ وشكلها بشكل كبير على خصائص أداء المحرك.
قنوات المبرد أو ممرات المبرد
تحتوي العديد من المحركات على ممرات تبريد في رأس الأسطوانة للمساعدة في تنظيم درجة حرارة تشغيل المحرك. يتدفق سائل التبريد عبر هذه الممرات لامتصاص وتبديد الحرارة الزائدة.
قنوات الزيت
تحتوي رؤوس الأسطوانات أيضًا على ممرات للزيوت توفر التشحيم للمكونات المختلفة، مثل عمود الكامات ومجموعة الصمامات.
المكونات الموجودة في رأس المحرك
فيما يلي المكونات والمناطق الرئيسية الموجودة في رأس أسطوانة المحرك:
الصمامات
تحتوي رؤوس الأسطوانات على صمامات السحب والعادم التي تتحكم في تدفق الهواء وغازات العادم داخل وخارج غرف الاحتراق. يتم فتح وإغلاق هذه الصمامات بواسطة عمود الكامات، مما يسمح بدخول الوقود والهواء وطرد غازات العادم بعد الاحتراق.
زنبركات الصمامات
زنبركات الصمامات مسؤولة عن إعادة الصمامات إلى وضعيتها المغلقة بعد فتحها بواسطة عمود الكامات. تضمن الختم السليم وعمل الصمامات.
أدلة الصمامات
أدلة الصمامات عبارة عن أكمام أسطوانية توجه حركة الصمامات داخل رأس الأسطوانة، مما يضمن بقاءها محاذية وتحركها بسلاسة.
عمود الحدبات
عمود الحدبات أو عمود الكامات مسؤول عن التحكم بفتح وإغلاق الصمامات. يتم تشغيله بواسطة العمود المرفقي ويتميز بفصوص تضغط على رافعات الصمامات، مما يتسبب في فتح وإغلاق الصمامات في أوقات محددة.
سلسلة التوقيت وحزام التوقيت
تعد سلسلة التوقيت وحزام التوقيت من المكونات المستخدمة في محركات الاحتراق الداخلي لمزامنة دوران العمود المرفقي (الذي يتحكم في حركة المكبس) وعمود الحدبات (الذي يتحكم في حركة الصمام). ومع ذلك، تُبنى بواسطة مواد مختلفة ولها خصائصها.
سلسلة التوقيت: عادة ما تكون مصنوعة من المعدن، وغالبًا ما تكون من الفولاذ، مما يجعلها متينة وقادرة على تحمل الأحمال والضغوط العالية. تُستخدم سلسلة التوقيت بشكل عام في المحركات ذات السعة الأكبر وتكون مزعجة بسبب الاتصال بين المعادن. تدوم لفترة طويلة بفضل البنية المعدنية، ومع ذلك، فإن استبدالها مكلف بسبب العمالة الزائدة المطلوبة. يتم أيضًا وضع سلاسل التوقيت بشكل عام داخل كتلة المحرك.
حزام التوقيت: عادة ما تكون أحزمة التوقيت مصنوعة من المطاط المقوى بالألياف الزجاجية. تتمتع أحزمة التوقيت بعمر افتراضي محدود ويجب استبدالها بشكل منتظم. تعد أنظمة حزام التوقيت بشكل عام أقل تكلفة من أنظمة سلسلة التوقيت، ومع ذلك، يجب استبدالها في كثير من الأحيان. لا تحتاج أحزمة التوقيت إلى التشحيم، وبالتالي يتم وضعها خارج كتلة المحرك.
شمعات الإشعال
في المحركات ذات الإشعال بالشرارة، توجد شمعات الإشعال في رأس الأسطوانة. تقوم بإشعال خليط الهواء والوقود داخل غرفة الاحتراق.
حاقنات الوقود
تقوم حاقنات الوقود برش رذاذ من الوقود لاستكمال خليط الهواء والوقود المطلوب للاحتراق. يتم وضع الحاقنات في مشعب السحب أو مباشرة في منافذ السحب برأس المحرك. يمكن أن يختلف الموقع المحدد وفقًا لتصميم المحرك ونظام حقن الوقود.
منفذ حقن الوقود (PFI): يتم وضع حاقن الوقود عادةً في منافذ السحب برأس المحرك.
حقن الوقود المباشر (DI): هنا يتم وضع حاقنات الوقود مباشرة داخل غرفة الاحتراق من خلال فتحات أو ممرات في رأس المحرك.
حشوات الرأس
تُستخدم الحشوات لإغلاق رأس الأسطوانة بكتلة المحرك، مما يمنع تسرب سائل التبريد والزيت وغازات الاحتراق.
البراغي والمثبتات
تعمل البراغي والمثبتات على تثبيت رأس الأسطوانة في كتلة المحرك وتضمن الاغلاق والمحاذاة المناسبين.
تقنيات الصمامات
من الضروري توافر ما لا يقل عن صمامين في رأس المحرك: واحد للمدخل والآخر للعادم. مع تطور تكنولوجيا المحرك، وجد أن استخدام صمامات متعددة لكل أسطوانة مفيد ويعزز كفاءة وأداء المحرك.
ببساطة، كلما زادت سرعة انبعاث غازات العادم، كلما زادت سرعة دخول خليط الوقود والهواء النقي، وكلما زادت سرعة الاحتراق. لذا فإن رأس المحرك رباعي الصمامات يعمل بشكل أفضل مقارنةً بالإعداد ثنائي الصمام. بشكل عام، يمكن العثور على إعداد رباعي الصمامات في السيارات بينما يمكن العثور على إعداد صمامين أو ثلاثة صمامات في المركبات الصغيرة ذات العجلتين.
أربعة صمامات: 2 صمامات سحب؛ 2 صمامات عادم
ثلاثة صمامات: 2 صمامات سحب؛ 1 صمام عادم
صمامان: 1 صمام سحب؛ 1 صمام عادم
توقيت الصمام المتغير (VVT)
VVT هي تقنية محرك تسمح بتعديل توقيت الدخول إلى المحرك أو العادم أو كلا الصمامين أثناء تشغيل المحرك. يساعد هذا التحسين لتوقيت الصمام على تحسين كفاءة المحرك وإخراج الطاقة والانبعاثات عبر مجموعة من سرعات المحرك وظروف التحميل.
في نظام توقيت الصمام الثابت التقليدي، تفتح الصمامات وتغلق في وقت محدد بناءً على عمود الكامات المحدد مسبقًا. ومع ذلك، قد لا يكون هذا التوقيت مثاليًا لجميع ظروف التشغيل وسرعات المحرك. تستخدم أنظمة VVT آليات مختلفة، مثل المحركات الهيدروليكية أو الملفات اللولبية التي يتم التحكم فيها إلكترونيًا، لتغيير وضعية عمود الكامات بالنسبة إلى العمود المرفقي.
بالنسبة للمحرك الذي يفتح رأس الأسطوانة، فيمكنه رؤية سلسلة التوقيت، وترس العمود في مرآب السيارة، والكاميرا السوداء والبيضاء.
أنواع رؤوس المحرك
على مر السنين، أدت التكوينات المختلفة وتصاميم وضعيات الصمامات في محرك الاحتراق الداخلي إلى تصاميم وأنواع مختلفة لرأس المحرك. فيما يلي بعض تكوينات صمامات المحرك الشائعة.
الصمام العلوي (OHV) أو تكوين ذراع الدفع
أمثلة:
في هذا التكوين، تتواجد الصمامات داخل كتلة المحرك، ويتم استخدام أذرع الدفع والأذرع المتأرجحة لتشغيلها. هذا التصميم معروف ببساطته ولكن قد يكون له قيود من حيث الأداء العالي لعدد الدورات في الدقيقة.
تكوين عمود الحدبات العلوي الفردي (SOHC).
أمثلة:
يتم وضع عمود كامات واحد في رأس الأسطوانة للتحكم في كل من صمامات السحب والعادم. يتم تشغيله مباشرة بواسطة العمود المرفقي من خلال حزام التوقيت أو سلسلة التوقيت. يوفر هذا التصميم تحكمًا أفضل في الصمامات من أنظمة ذراع الدفع.
تكوين عمود الحدبات العلوي المزدوج (DOHC).
أمثلة:
في تكوين DOHC، يوجد عمودان كامات منفصلان، أحدهما لصمامات السحب والآخر لصمامات العادم. وهذا يسمح بالتحكم الدقيق في توقيت الصمام ويتيح عدد دورات محرك أعلى في الدقيقة. يمكن لهذا التكوين تطبيق تقنية توقيت الصمام المتغير (VVT) لتحسين الأداء والكفاءة.
تكوين التدفق المتقاطع
أمثلة:
فورد اسكورت آر إس كوزوورث 1992
في تكوين التدفق المتقاطع، يتم وضع منافذ السحب والعادم على الجانبين المتقابلين لرأس الأسطوانة. يعزز هذا التصميم تدفق الهواء بكفاءة وخصائص احتراق أفضل.
التكوين مسطح الرأس
أمثلة:
فورد موديل تي
ويليز جيب
يتواجد، في المحركات مسطحة الرأس، كل من صمامات السحب والعادم داخل كتلة المحرك، وغالبًا ما يتم وضعها في “الرأس” المسطح لكتلة المحرك. هذا التصميم أبسط ولكن يمكن أن يكون له قيود من حيث الكفاءة.
تكوين صمام قطري
أمثلة: هوندا XR500RE 1984
إم في أغستا بروتالي 1000 آر إس 2023
تُستخدم الصمامات القطرية بشكل شائع في محركات الدراجات النارية. يتم وضع الصمامات بشكل دائري أو شعاعي حول غرفة الاحتراق. يسمح هذا الترتيب بتحسين حجم المنفذ وشكله، والزاوية المتضمنة للصمام، وتحسين شكل غرفة الاحتراق. وقد يساهم أيضًا في تبريد أفضل.
تكوين الصمام الدوار
أمثلة: نورتون مانكس 1990
دوكاتي بانيجال V4 2023
تستخدم بعض المحركات صمامات دوارة تدور للتحكم في تدفق السحب والعادم. يمكن أن توفر هذه الصمامات تحكمًا فعالاً ودقيقًا ولكنها أقل شيوعًا. كما أنها تُستخدم بشكل عام في الدراجات النارية بدلاً من السيارات.
