محرك محوري

المحرك المحوري  (أحيانًا يُعرف باسم المحرك الأسطواني أو محرك Z-كَرَنك) هو نوع من المحركات الترددية التي تكون فيها المكابس مرتبة حول عمود إخراج وتكون محاورها موازية للعمود. يشير "الأسطواني" إلى الشكل الأسطواني لمجموعة الأسطوانات (نتيجة لكون المكابس متباعدة بالتساوي حول العمود المرفقي المركزي ومصطفة بشكل موازٍ لمحور العمود المرفقي)، بينما يشير "Z-كَرَنك" إلى شكل العمود المرفقي.

بصفته ، يمكن للمحرك المحوري أن يستخدم إما لوحة مائلة أو لوحة متذبذبة لتحويل حركة المكبس إلى حركة دورانية. اللوحة المتذبذبة تشبه اللوحة المائلة، حيث تضغط المكابس على اللوحة بالتسلسل، مما يمنحها عزماً جانبياً يُحوَّل إلى حركة دورانية. يمكن محاكاة هذه الحركة بوضع قرص مضغوط على  في مركزه والضغط عليه في أماكن متقدمة حول محيطه. الفرق هو أن اللوحة المتذبذبة تهتز (تتأرجح) بينما اللوحة المائلة تدور. هناك تصميم بديل، وهو محرك "راند كام"، والذي يستبدل اللوحة بسطح كامي واحد أو أكثر على شكل موجة جيبية. شفرات مثبتة بشكل موازٍ لعمود مركب داخل "أسطوانة" مجوفة، تتحرك بحرية صعودًا ونزولًا على الكامة المتعرجة، وتشكل الأجزاء التي تتكون من الدوار وجدران الثابت والشفرات غرف الاحتراق. فعليًا، تؤدي هذه المساحات نفس الغرض الذي تؤديه الأسطوانات في المحرك المحوري، ويعمل سطح الكامة المتعرج كوجه المكابس. وفي جوانب أخرى، يتبع هذا النوع الدورات العادية للاحتراق الداخلي ولكن مع إعطاء الغاز المحترق قوة مباشرة على سطح الكامة، والتي تُحوّل إلى قوة دورانية عن طريق توقيت انفجار أو أكثر. هذا التصميم يلغي المكابس الترددية المتعددة، والمحاور الكروية، واللوحة المائلة للمحرك "الأسطواني" التقليدي، ولكنه يعتمد بشكل حاسم على الإغلاق الفعال الذي توفره الأسطح المنزلقة والدوارة.

الميزة الرئيسية للتصميم المحوري هي أن الأسطوانات مرتبة بشكل موازٍ حول عمود الإخراج/العمود المرفقي، على عكس المحركات الشعاعية والمستقيمة، وكلاهما يكون فيه الأسطوانات بزاوية قائمة على العمود. ونتيجة لذلك، فإنه محرك مضغوط جدًا، ذو شكل أسطواني، ويسمح بتغيير نسبة انضغاط المحرك أثناء التشغيل. في المحرك ذي اللوحة المائلة، تظل قضبان المكابس موازية للعمود، ويمكن التخلص من القوى الجانبية للمكبس التي تسبب تآكلاً مفرطًا بشكل شبه كامل. كما يُزال من المحمل الصغير لقضيب التوصيل التقليدي، وهو أحد أكثر المحامل إشكالية في المحركات التقليدية.

بينما تُعَد المحركات المحورية صعبة التطبيق العملي عند سرعات تشغيل المحرك النموذجية، فقد جرى اختبار بعض المحركات الكامية التي توفر حجمًا مضغوطًا للغاية (يُقدَّر بمكعب يبلغ طول ضلعه 150 مم) ولكنها تنتج ما يقرب من أربعين حصانًا عند حوالي 7000 دورة في الدقيقة، مما يجعلها مفيدة للتطبيقات الجوية الخفيفة. إن جاذبية المحركات خفيفة الوزن وبسيطة ميكانيكيًا (عدد أقل بكثير من الأجزاء المتحركة الرئيسية، على شكل دوار بالإضافة إلى اثني عشر شفرة محورية تشكل أربع وعشرين غرفة احتراق)، حتى مع عمر تشغيل محدود، لها تطبيقات واضحة للطائرات الصغيرة بدون طيار.

 التاريخ 

 ماكومبر 
يسار|إطار|رسم متحرك للصفيحة المائلة. لاحظ أن الصفيحة المائلة مثبتة على العمود، لذا تدور معه.
في عام 1911، سوّقت شركة "ماكومبر للمحركات الدوارة" في لوس أنجلوس أحد أوائل محركات الاحتراق الداخلي المحورية، والذي صنعته شركة "أفيس للمحركات" في مدينة  بولاية ماساتشوستس. كان المحرك رباعي الأشواط ومبردًا بالهواء، ويحتوي على سبع أسطوانات ونسبة انضغاط متغيرة يمكن تعديلها بتغيير زاوية اللوحة المتذبذبة، وبالتالي طول شوط المكبس. سُمي "المحرك الدوار" لأن المحرك بأكمله كان يدور باستثناء الغلافين الطرفيين.

كان الإشعال يزوَّد بواسطة مغناطيس (بوش) يعمل مباشرة من تروس الكامة. ثم يمر التيار عالي الجهد إلى قطب ثابت على غلاف المحمل الأمامي، حيث تقفز الشرارات إلى شمعات الإشعال في رؤوس الأسطوانات عندما تمر على بعد 1/16 بوصة (1.6 ملم) منه. ووفقًا لمنشورات شركة ماكومبر، فقد كان المحرك "مضمونًا ألا يسخن".

يُزعم أن المحرك كان قادرًا على العمل بسرعة تتراوح بين 150 و1500 دورة في الدقيقة. وعند السرعة الطبيعية البالغة 1000 دورة في الدقيقة، قيل إنه ينتج 50 حصانًا. وكان وزنه 230 رطلاً (100 كجم) وطوله 28 بوصة (710 ملم) وقطره 19 بوصة (480 ملم). في مايو 1911، حلق الطيار الرائد تشارلز فرانسيس والش بطائرة تعمل بمحرك ماكومبر، سُميت "والش سيلفر دارت".

 ستاتاكس 
في عام 1913، قدمت شركة "ستاتاكس موتور" في زيورخ، سويسرا، تصميمًا لمحرك لوحة مائلة. أنتج نموذج أولي واحد فقط، وهو موجود حاليًا في متحف العلوم بلندن. في عام 1914، انتقلت الشركة إلى لندن لتصبح "شركة ستاتاكس للمحركات" وخططت لتقديم سلسلة من المحركات الدوارة؛ محرك 3 أسطوانات بقوة 10 أحصنة، و5 أسطوانات بقوة 40 حصانًا، و7 أسطوانات بقوة 80 حصانًا، و10 أسطوانات بقوة 100 حصان.

يبدو أن تصميم 40 حصانًا هو الوحيد الذي جرى إنتاجه على الإطلاق، والذي رُكِّب في طائرة "كودرون G.II" لسباق الجو البريطاني عام 1914، ولكنه سُحب قبل الرحلة. في عام 1922، قدمت شركة "هانسن" نسخة من الألومنيوم بالكامل لهذا التصميم، ولكن ليس من الواضح ما إذا كانت قد أنتجتها بكميات كبيرة. في عام 1929، قدم القسم الألماني لشركة ستاتاكس نسخًا محسّنة كثيرًا، حيث أنتجت 42 حصانًا في نسخة جديدة  تُعرف باسم "29B". استحوذت شركتا غرينوود وريموند من سان فرانسيسكو على حقوق براءة الاختراع للولايات المتحدة وكندا واليابان، وخططتا لمحرك 5 أسطوانات بقوة 100 حصان و9 أسطوانات بقوة 350 حصانًا.

 ميشيل 
في عام 1917، حصل أنتوني ميشيل على براءات اختراع لتصميم محركه ذي اللوحة المائلة. كانت الميزة الفريدة فيه هي وسيلة نقل الحمل من المكابس إلى اللوحة المائلة، والتي تتحقق باستخدام كتل منزلقة مائلة تنزلق على غشاء من الزيت. كان الابتكار الآخر لميشيل هو تحليله الرياضي للتصميم الميكانيكي، بما في ذلك كتلة الأجزاء وحركتها، بحيث تكون محركاته في توازن ديناميكي مثالي عند جميع السرعات.

في عام 1920، أسس ميشيل "شركة المحركات عديمة الكرنك" في (أستراليا)، وأنتج نماذج أولية عاملة للمضخات، والضواغط، ومحركات السيارات والطائرات، وكلها تستند إلى نفس التصميم الأساسي.

عمل مصمم المحركات فيل إرفينغ في "شركة المحركات عديمة الكرنك" قبل انضمامه إلى شركة "إتش آر دي" (هوارد رايموند ديفيز). حصل عدد من الشركات على ترخيص تصنيع لتصميم ميشيل. وكان أنجحها شركة "والر آند صن" البريطانية، التي أنتجت معززات الغاز.

أكبر محرك ميشيل عديم الكرنك كان "XB-4070"، وهو محرك ديزل للطائرات جرى بناؤه لصالح البحرية الأمريكية. كان المحرك يضم 18 مكبسًا، وقُدّرت قوته بـ2000 حصان، ووزنه 2150 رطلاً.

 جون أو. ألمن 
كان الأمريكي جون أو. ألمن من سياتل بواشنطن يصنع ويختبر محركات أسطوانية تجريبية لاستخدامها في الطائرات في أوائل العشرينيات من القرن الماضي، وبحلول منتصف العشرينيات من القرن نفسه، اجتاز محرك "ألمن A-4" المبرَّد بالماء (18 أسطوانة، مجموعتان من تسع أسطوانات متقابلة أفقيًا) اختبارات القبول لدى فيلق القوات الجوية بالجيش الأمريكي. ولكن، لم يدخل هذا المحرك خط الإنتاج أبدًا، ويُقال إن السبب يعود إلى محدودية الأموال وتركيز فيلق القوات الجوية المتزايد على المحركات الشعاعية المبرَّدة بالهواء. كان محرك "A-4" ذو مساحة أمامية أصغر بكثير من المحركات المبرَّدة بالماء التي لها نفس القدرة، مما يتيح إمكانية انسيابية أفضل. وقد قُدّرت قدرته بـ425 حصانًا (317 كيلوواط)، ووزنه 749 رطلاً فقط (340 كجم)، مما يعطي نسبة قدرة إلى وزن أفضل من 1:2، وهو إنجاز تصميمي كبير في ذلك الوقت.

 هيراكليو ألفارو 
هيراكليو ألفارو فورنييه كان طيارًا إسبانيًا نال وسام الفروسية في سن الثامنة عشرة من قبل الملك ألفونسو الثالث عشر ملك إسبانيا لتصميمه وبنائه وقيادته أول طائرة إسبانية. طوَّر محركًا أسطوانيًا لاستخدامه في الطائرات، والذي أنتجته لاحقًا شركة "إنديان موتور سايكل للتصنيع" تحت اسم "ألفارو". كان هذا المحرك مثالًا ممتازًا لتصميم "ضع فيه كل شيء"، حيث اشتمل على نظام صمام أسطواني يعتمد على رأس أسطوانة دوار، وهو تصميم لم يدخل خط الإنتاج في أي محرك. لاحقًا، طُوِّر المحرك بشكل أكبر لاستخدامه في مروحية "دومان" على يد ستيفن دو بونت، ابن رئيس شركة "إنديان موتورسايكل"، والذي كان أحد طلاب ألفارو في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

 برستول 
صُمِّم محرك "برستول" المحوري في منتصف الثلاثينيات من القرن الماضي من قبل تشارلز بنجامين ريدروب لصالح شركة "برستول للترام والعربات"؛ وكان محركًا بسعة 7 لترات، و9 أسطوانات، من نوع اللوحة المتذبذبة. صُمِّم في الأصل ليكون وحدة طاقة للحافلات، وربما كان شكله الصغير يسمح بتركيبه تحت أرضية المركبة. كان المحرك يحتوي على صمام دوار واحد للتحكم في سحب الوقود والعادم. استُخدمت عدة أنواع منه في حافلات "برستول" خلال أواخر الثلاثينيات، ومر المحرك بعدة نسخ من "RR1" إلى "RR4"، التي كانت قدرتها 145 حصانًا عند 2900 دورة في الدقيقة. توقف التطوير في عام 1936 بعد تغيير الإدارة في شركة برستول.

 وولر 
ربما كان أكثر التصميمات دقة هو محرك "وولر" البريطاني ذو اللوحة المتذبذبة الذي صُنع في عام 1947. صمم هذا المحرك ذو الـ6 أسطوانات جون وولر، المعروف أكثر بأنه مصمم محركات الدراجات النارية، لاستخدامه في الطائرات. كان يشبه محرك "برستول" المحوري، ولكنه يحتوي على لوحين متذبذبين، يديرهما 12 مكبسًا متقابلاً في 6 أسطوانات. غالبًا ما يُشار إلى المحرك بشكل خاطئ على أنه محرك ذو لوحة مائلة. وُجد مثال واحد منه محفوظًا في معرض الطائرات بمتحف العلوم بلندن.

 إتش. إل. إف. تريبرت 
أنتجت شركة "إتش. إل. إف. تريبرت" للمحركات في روتشستر بنيويورك بعض المحركات الأسطوانية الصغيرة لاستخدامها في التطبيقات البحرية.H.L.F. Trebert Engine Works

 الوقت الحاضر 

 دينا-كام 
جاء محرك "دينا-كام" في الأصل من تصميم الأخوين بليزر، وهما مهندسان أمريكيان في صناعة السيارات في "العصر النحاسي" عملوا لدى شركة "ستوديبيكر" عام 1916. باعا الحقوق لكارل هيرمان، رئيس قسم الهندسة في ستوديبيكر، الذي طور المفهوم على مدار سنوات عديدة، وحصل في النهاية على براءة الاختراع الأمريكية رقم 2237989 في عام 1941. يحتوي المحرك على 6 مكابس مزدوجة الأطراف تعمل في 6 أسطوانات، وتُشعل غرف الاحتراق الـ 12 في كل دورة للعمود. تدفع المكابس كامة على شكل موجة جيبية، على عكس اللوحة المائلة أو المتذبذبة، ومن هنا جاء اسمه.

في عام 1961، وفي سن الثمانين، باع هيرمان الحقوق لأحد موظفيه، إدوارد بالمر، الذي أسس شركة "دينا-كام إنجن" بالتعاون مع ابنه دينيس. ساعد ابن إدوارد دينيس وابنته بات في تركيب المحرك في طائرة "بايبر بيه". وحلَّق المحرك لحوالي 700 ساعة من عام 1987 حتى عام 1991. كما عمل محركهم ذو العمر الأطول لما يقرب من 4000 ساعة قبل الحاجة إلى إصلاح شامل. في حوالي عام 1993، افتتحت "دينا-كام" مرفقًا للبحث والتطوير وفازت بالعديد من الجوائز المتنوعة من وكالة ناسا، والبحرية الأمريكية، ومشاة البحرية الأمريكية، ولجنة كاليفورنيا للطاقة، ومنطقة إدارة جودة الهواء، وتحالف لوس أنجلوس الإقليمي للتكنولوجيا، لتطوير أنواع مختلفة من محرك "دينا-كام" نفسه. صُنِع حوالي 40 نموذجًا أوليًا للمحرك من قبل مجموعة "هيرمان"، وصُنِع 25 نموذجًا آخر من قبل مجموعة "دينا-كام" منذ أن حصلوا على المحرك وافتتحوا ورشتهم. ومُنحت براءة اختراع جديدة لدينيس بالمر وإدوارد بالمر، أولًا في عام 1985، ثم عدة براءات اختراع أخرى في عام 2000 لدينيس بالمر. في عام 2003، حصلت شركة "إيرو-مارين" على أصول "شركة دينا-كام للمحركات"، وغيرت اسمها إلى "شركة المحركات ذات المتجه المحوري". ثم أعادت شركة "أكسيال فيكتور" تصميم المحرك الكامي بالكامل. يعاني محرك "أكسيال فيكتور" الجديد، شأنه شأن العديد من المحركات الأخرى في هذه القائمة، من مشكلة "وضع كل شيء"، بما في ذلك الصمامات والإشعال الكهرضغطي، وبطانات الأسطوانات الخزفية التي لا تحتوي على حلقات مكابس، ومجموعة متنوعة من الميزات المتقدمة الأخرى. لا يوجد تشابه كبير بينه وبين محركات "هيرمان" و"دينا-كام" الأصلية، لأن محرك "دينا-كام" استخدم صمامات تقليدية، وحلقات مكابس، وملحقات، ولم يحتوِ على مواد خزفية غير مثبتة الجدوى، وحلق بالفعل في طائرة، وشغّل أيضًا قارب تزلج "إليمنيتور" بطول 20 قدمًا (6.1 م) لأكثر من أربع سنوات.

 كوفاكس 
تُصمم شركة "كوفاكس ليمتد" في المملكة المتحدة (التي كانت تُعرف باسم "فيرديزل ليمتد" حتى عام 2017) محركات ديزل أسطوانية ذات مكابس متقابلة تعمل بشوطين وتستخدم كامات غير جيبية، وذلك للتطبيقات الصناعية والطيران. تتراوح تصاميم محركاتها من محرك 2 أسطوانة بقطر 80 ملم إلى 32 أسطوانة بقطر 160 ملم.

 محركات دوك 
في عام 1993، أسست شركة "ديوك إنجنز" النيوزيلندية، والتي أنتجت عدة محركات مختلفة وركَّبت أحدها في سيارة عام 1999. المحرك يعمل بـ5 أسطوانات، وسعة 3 لترات، ومنصة محرك احتراق داخلي رباعي الأشواط بتصميمه المحوري الفريد، والذي يعتبر الجيل الثالث منه. بفضل تصميمه الخالي من الصمامات، يفقد محرك "ديوك" طاقة أقل بين أشواط الاحتراق. وتُظهر النماذج الأولية الحالية لمحركات "ديوك" أنها تضاهي خصائص محركات الاحتراق الداخلي التقليدية، ولكن بأجزاء أقل ووزن أخف بنسبة 30%. وهذا التطور يسير في اتجاه إنتاج محرك أكثر كفاءة. خلال التطوير، جرى اختبار محرك "ديوك" في "ماهلي باورترين" بالمملكة المتحدة والولايات المتحدة؛ وتُظهر نتائج الاختبار أنه يتمتع بقدرات تشغيل على أنواع وقود متعددة. إن فوائد محرك "ديوك" من حيث خفة الوزن وصغر الحجم تجعل هذا التصميم مثاليًا لمحركات الدراجات النارية؛ وقد تجعل هذه الفوائد المحرك مناسبًا للطائرات الخفيفة أيضًا. (توجد بيانات قليلة حول سلاسة محرك "ديوك"؛ ولكن يوجد ثقل موازن كبير مثبت على العمود الرئيسي).

 إن إنجن 
يُعد هذا التصميم كلاسيكيًا إسباني الصنع، وهو محرك محوري ذو مكابس متقابلة تعمل بشكل متوازٍ، ولوحة مائلة على شكل موجة جيبية، ويوجد منه نسختان في عام 2023؛ نسخة بحجم سيارة مع تبريد سائل، وهي نموذج أولي؛ ونسخة مبرَّدة بالهواء بأربع أسطوانات، سعتها 125 سم مكعب، وقوتها 22 حصانًا، ووزنها 4.5 كجم، وتستهدف الطائرات بدون طيار والنماذج الجوية الكبيرة، وهي في مرحلة ما قبل الإنتاج.

 وحدة الطاقة الأسطوانية 
وحدة الطاقة الأسطوانية (CEM) هي محرك ذو لوحة مائلة على شكل موجة جيبية، يمكن استخدامه أيضًا كمضخة قائمة بذاتها، تعمل بمصدر خارجي. تتحرك مجموعة دوار اللوحة المائلة الدوارة ذهابًا وإيابًا بمساعدة دبابيس دفع المكبس، والتي تتبع مسار كامة ثابت على شكل موجة جيبية تحيط بمجموعة الدوار.

صمم المخترع الأمريكي إيدي باول وحدة الطاقة الأسطوانية في الأصل لاستخدامها في مضخات الحريق. ثم عُدِّلت لاحقًا لاستخدامها في السيارات، وكان من المخطط استخدامها في مشروع سيارة "دوسنبرغ توربيدو كوبيه" الذي لم يرَ النور في عام 2005. وكمصدر للطاقة لسيارة الكوبيه، كانت وحدة الطاقة الأسطوانية ستدور على محور، مما يسحب الوقود ويوفر تشحيمًا ذاتيًا، وكانت قادرة على العمل إما بالبنزين أو الديزل. وزُعِم أيضًا أنها ستنتج سدس حرارة المحرك التقليدي فقط، مما يعني أن التبريد بالهواء سيكون كافيًا.

 ديفايز موتورز 
تقوم شركة "ديفايز موتورز" الأمريكية حاليًا بتطوير محرك جديد يستخدم مكابس متقابلة.

 التطبيقات 

 التطبيق الأكثر شهرة هو في الطوربيدات، حيث أن شكلها الأسطواني مرغوب فيه. الطوربيد الحديث مارك 48 يعمل بمحرك لوحة مائلة بقوة 500 حصان متصل بمروحة طائرة مضخة نفاثة. ويستخدم وقود "أوتو II"، وهو وقود أحادي الدفع لا يحتاج إلى مصدر للأكسجين ويمكنه دفع الطوربيد بسرعة تصل إلى 65 عقدة (120 كم/ساعة).
 تشمل التطبيقات الأخرى المحركات الهوائية والهيدروليكية، وأجهزة النقل الهيدروستاتيكي مثل نظام هونداماتيك المتغير باستمرار (ناقل حركة ذو تعشيق مستمر) من شركة هوندا، ومضخات مكيفات الهواء. أيضًا، تستخدم بعض محركات ستيرلينغ ترتيب اللوحة المائلة، مثل محرك STM 4-120 من شركة ستيرلينغ ثيرمال موتورز.

 المراجع 

تصنيف:محركات مكبسية
تصنيف:تقانة المحركات