داخل الأسطوانة

لمحرك السيارة مهمة واحدة: تحويل حرارة احتراق الوقود إلى دوران عمود. تنفّذ كل سيارة تعمل بالبنزين أو الديزل تقريبًا هذه العملية بالحيلة نفسها، وتتكرر في عدة أسطوانات: مكبس ينزلق إلى أعلى وأسفل داخل أنبوب، وآلية تحوّل هذه الحركة الخطية إلى دوران.

الأجزاء الأساسية في أسطوانة واحدة، من الأعلى إلى الأسفل:

• الأسطوانة ورأس الأسطوانة. الأنبوب الذي ينزلق فيه المكبس، ويُغلق من الأعلى بالرأس. المساحة بين المكبس والرأس هي غرفة الاحتراق.
• الصمامات. بابان صغيران أو أكثر في الرأس: تسمح صمامات السحب بدخول الهواء النقي (والوقود في كثير من المحركات)، وتسمح صمامات غازات العادم بخروج الغاز المحترق. ويدفع عمود الحدبات الدوّار هذه الصمامات لفتحها في اللحظات المناسبة.
• شمعة الإشعال (في محركات البنزين). تُطلق شرارة تشعل الوقود والهواء.
• المكبس. وهو الجزء الذي يتحرك داخل الأسطوانة. تحكم الحلقات المحيطة به إغلاق الفجوة بينه وبين جدار الأسطوانة.
• ذراع التوصيل. ذراع قوي يصل المكبس بعمود المرفق. ويتأرجح أثناء حركته.
• عمود المرفق. عمود له جزء منحرف يُسمى ذراع المرفق. عندما يدفع المكبس الذراع، يدفع الذراع ذراع المرفق ليدور في دائرة، مثل قدم تدير دواسة دراجة.
• دولاب الموازنة. قرص ثقيل في طرف عمود المرفق يخزّن طاقة الدوران.

الشوط هو المسافة التي يقطعها المكبس بين أعلى موضع له، أي المركز الميت العلوي، وأدنى موضع له، أي المركز الميت السفلي. يقع ذراع المرفق على مسافة تساوي نصف قطره من مركز العمود، لذلك يتحرك المكبس إلى أعلى بمقدار نصف القطر وإلى أسفل بالمقدار نفسه خلال نصف دورة واحدة: الشوط = 2 × نصف القطر.

يتحدد ارتفاع المكبس من هندسة ذراع المرفق والقضيب. فإذا قيسَت زاوية المرفق θ بدءًا من المركز الميت العلوي، وكان طول القضيب l، فإن المسافة من مركز العمود إلى مسمار المكبس تساوي نصف قطر المرفق × جتا θ + الجذر التربيعي لـ (مربع طول القضيب − مربع نصف قطر المرفق × جا² θ). لا تحتاج إلى إجراء الحساب، لكن لاحظ ما توضحه هذه العلاقة: كل موضع للمكبس تحدده زاوية المرفق. أدر المرفق، فيتحرك المحرك كله؛ ولا يمكن لأي جزء أن يخرج عن التزامن.

لا يدور المكبس. بل ينزلق في خط مستقيم، ويتأرجح القضيب من جانب إلى آخر، بينما يدور عمود المرفق وحده. ويتوقف المكبس فعلًا للحظة عند الأعلى والأسفل، حيث يغير اتجاهه، ويتحرك بأقصى سرعة تقريبًا حول منتصف كل شوط.

يصف حجمان المحرك. الحجم المزاح (الإزاحة) لأسطوانة واحدة يساوي مساحة المكبس مضروبة في طول الشوط: V = (π/4) × (قطر الأسطوانة)² × طول الشوط. إذا كان قطر الأسطوانة وطول الشوط 86 mm لكل منهما، فإن V = (π/4) × 0.086² × 0.086 ≈ 0.0005 m³ = 0.5 litre، لذا تكوّن أربع أسطوانات من هذا النوع محركًا بسعة 2.0-litre.

تقارن نسبة الانضغاط بين أكبر حجم وأصغر حجم يصل إليهما الغاز: CR = (V_swept + V_clearance) / V_clearance، حيث يكون حجم الخلوص هو ما يتبقى فوق المكبس عند النقطة الميتة العليا TDC. إذا أزاحت أسطوانة واحدة 500 cm³ وبقي 50 cm³ في أعلاها، فإن CR = 550 / 50 = 11 : 1.

ما سرعة حركة المكبس؟ سرعته المتوسطة هي 2 × طول الشوط × (عدد الدورات في الثانية). عند 6 000 rpm (100 rev/s)، ومع شوط طوله 86 mm، تكون السرعة 2 × 0.086 × 100 ≈ 17 m/s، أي نحو 62 km/h، مع حركته صعودًا وهبوطًا مئات المرات في الثانية. وهذا أحد أسباب وجود حد للسرعة التي يمكن أن تدور بها المحركات بأمان.