التركيب التصميمي لمحرك الجرارات الزراعية
تعتمد محركات الاحتراق الداخلي الترددية من حيث التصميم والبنية على هدف استخدامها الرئيس. فإن عدد الأسطوانات يشكل عاملاً أساسياً في بنية المحركات، ويكاد يقتصر استخدام المحركات أحادية الأسطوانة ثنائية أو رباعية الأشواط على الدراجات النارية والقوارب، وبعض
الجرارات الصغيرة، والآلات الأخرى. بينما تعتبر المحركات متعددة الأسطوانات الأكثر انتشاراً واستعمالاً في الآليات. يتكون المحرك متعدد الأسطوانات من عدة محركات أحادية الأسطوانة متلاصقة ومتلاحمة مع بعضها، وتكون مشتركة بعمود مرفقي واحد، تتناوب الأشواط فيها بشكل منتظم، الشكل (1).
الشكل (1) يبين صورة عامة للمحرك.
1- ترتيب عمل الأسطوانات في المحركات:
تتأثر أطوار القوى والعزوم المؤثرة على أجزاء المحرك بترتيب عمل الأسطوانات، لذا فلا بد أثناء اختيار الترتيب المناسب لعمل الأسطوانات من الأخذ بعين الاعتبار العوامل الاتية:
- تناوب الاشتعال خلال فترات زمنية متساوية، لكي ينتظم عمل المحرك.
- توزيع الشحنة على الأسطوانات المختلفة بشكل متساوٍ ومنتظم.
- موازنة المحرك بشكل جيد لمنع الاهتزازات.
- تخفيف الحمل على محامل العمود المرفقي بجعل الأسطوانات المتوالية بالعمل بعيدة عن بعضها قدر الإمكان.
يوضح الشكل (2) نماذج ترتيب عمل الأسطوانات (الاشتعال) في بعض المحركات.
الشكل (2) يبين مخططات لترتيب عمل الأسطوانات لعدة أنواع من المحركات.
يمثل عمل الأسطوانات التتابع المتناوب للأشواط المتشابهة في الأسطوانات المختلفة، وهو يتأثر بالعوامل الآتية: عدد الأسطوانات، شكل توضع الأسطوانات، شكل عمود الكامات. يتحقق التتابع المنتظم للأشواط في المحرك بالاعتماد على قيمة زاوية المرفق، الواقعة بين المرافق المتتالية β، والتي تُحدد وفق العلاقة الآتية:
ncy / x 360) (nr = β
إذ إن nr: عدد دورات العمود المرفقي ليتم المحرك دورة عمل كاملة، ncy : عدد أسطوانات المحرك.
تتناوب أشواط عمل المحركات رباعية الأشواط، رباعية الأسطوانات المتوضعة على صف واحد كل °180، وبالنسبة للمحركات سداسية الأسطوانات فهي تتناوب كل °120، أما بالنسبة للمحركات ثمانية الأسطوانات فإنها تتناوب أشواط العمل فيها كل °90. في حال كان نظام عمل المحرك وفق الترتيب (3-4-2-1)، فهذا يعني ان شوط العمل يبدأ في الأسطوانة الأولى، ويستغرق مقدار نصف دورة للعمود المرفقي، ثم في الأسطوانة الثانية عند النصف الثاني للدورة الأولى للعمود المرفقي، وفيما بعد في الأسطوانة الرابعة عند النصف الاول للدورة الثانية للعمود المرفقي، وأخيراً في الأسطوانة الثالثة عند النصف الثاني للدورة الثانية للعمود المرفقي؛ وبذلك تكون قد تمت دورة عمل كاملة للمحرك خلال دورتين للعمود المرفقي، كما هو مبين بالجدول التالي، كما يمكن أن يكون ترتيب الاشتعال في المحركات رباعية الأشواط رباعية الأسطوانات على الشكل الآتي (3-4-2-1).
جدول يبين مخطط ترتيب عمل الأسطوانات لمحرك رباعي الأشواط رباعي الأسطوانات يعمل وفق ترتيب اشتعال (3-4-2-1).
أما محركات رباعية الأشواط سداسية الأسطوانات فتتناوب وتتكرر أشواط العمل فيها كل 120 من دوران عمود المرفق. وأما المحركات ثمانية الأسطوانات التي تكون على شكل حرف v فتتناوب أشواط العمل فيها كل 90؛ أي أنه كل ربع دورة يتم في الأسطوانات شوط عمل، وبما أن الأسطوانات يشكلان فيما بينهما زاوية قائمة، فهذا يعني أنه عندما يكون مكبس أية أسطوانة من أسطوانات المحرك في نقطة ميتة معينة ؛ فإن مكبس الأسطوانة المجاورة يكون في منتصف الشوط الذي هو فيه.
2- الأجزاء الرئيسة للمحرك :
تتألف محركات الاحتراق الداخلي الترددية بغض النظر عن حجمها ونوعها وعدد أسطواناتها الشكل (3) من الأجزاء الآتية:
الأجزاء الثابتة (جسم المحرك)، المجموعة المرفقية، جملة القيادة والتحكم بالمحرك، مجموعة الأجهزة والدارات الملحقة بالمحرك.
الشكل (3) يبين مقطعاً توضيحياً للأجزاء الرئيسة في محرك الاحتراق الداخلي
1- عمود المرفق. 2- ذراع التوصيل. 3- الحدافة. 4- عمود الكامات. 5- المكبس، 6- الأسطوانة.
1.2: الأجزاء الثابتة في المحرك :
تتكون الأجزاء الثابتة في المحرك من العناصر الآتية: غطاء الأسطوانات، هيكل (جسم) الأسطوانات، علبة المرفق، حوض الزيت.
* غطاء الأسطوانات : هو جسم معدني مصنوع من الحديد الصب، يحوي على تجاويف يطابق عددها عدد الأسطوانات؛ حيث تشكل جزءاً رئيساً من حجرة الاحتراق لكل أسطوانة، وتحوي فتحات نافذة تسمح بدخول أذرع الصمامات، وفتحات مقلوظة لتركيب شمعات الاحتراق، أو البخاخات. يركب هذا الغطاء فوق جسم الأسطوانات، ويثبت بواسطة براغي خاصة. ترتفع درجة حرارة غطاء الأسطوانات أثناء عمل المحرك نتيجة احتراق الخليط في غرف الاحتراق، لذا فلا بد من احتوائه على قنوات ومجار خاصة لمرور سائل التبريد، للتخلص من كمية الحرارة الزائدة وتبريده حتى درجة الحرارة المثلى لعمل المحرك الشكل (4).
الشكل (4) يبين صورة توضيحية لغطاء الأسطوانات.
لمنع اختلاط الشحنة مع الغازات، وسائل التبريد نتيجة تسربهما، فإنه يتم وضع مانعة تسرب خاصة بين غطاء الأسطوانة وجسم الأسطوانات؛ تكون مصنوعة من مادة لدنة مدعمة الحواف، وتتميز بمقاومتها العالية للحرارة، وتحملها الكبير للضغوط الشكل (5).
الشكل (5) يبين صورة توضيحية لمانعة تسرب غطاء الأسطوانات.
* هيكل الأسطوانات : هو جسم معدني مصنوع غالباً من الحديد الصب، يتم تجويفه للحصول على فتحات الأسطوانات التي تمتد على طول هيكل المحرك، الشكل (6)، تبلغ أقل سماكة لجدار الأسطوانة بحدود [mm] 5-6، أما المسافة الفاصلة بين الجدران فإنها لا تقل عن [mm]3-5، وذلك لتسهيل جريان سائل التبريد داخل الفتحات والتجاويف الموجودة في جسم المحرك.
الشكل (6) يبين صورة توضيحية لهيكل الأسطوانات وعلبة المرفق.
تحدد الأسطوانات اتجاه حركة المكبس الترددية السريعة، كما يتم بداخلها إتمام إجراء جميع العمليات الترموديناميكية للاشواط، وقد تكون هذه الأسطوانات ثابتة، أو غير ثابتة تدعى بالقمصان أو البطانات، الشكل (7)، وهي على نوعين: قمصان جافة، قمصان رطبة (مبللة).
الشكل (7) يبين مقطعاً توضيحياً لقمصان الأسطوانات.
آ- القميص الجاف ب- القميص المبلل
1- كتلة المحرك. 2- قمصان الأسطوانات. 3- سائل التبريد. 4- جوانات.
أما بالنسبة للمحركات ذات التبريد الهوائي فإنها تحتوي على ريش تبريد وظيفتها زيادة سطح الإشعاع والتبادل الحراري لجسم الأسطوانة، الأمر الذي يؤدي إلى زيادة مردود عملية التبريد الشكل (8).
الشكل (8) يبين مقطعاً توضيحياً لريش التبريد الموجودة على غطاء الأسطوانة وجسم المحرك.
1- غطاء الأسطوانة. 2- شمعة الاحتراق. 3- ريش التبريد.
* علبة المرفق : تشكل الجزء السفلي لجسم المحرك، وهي تحيط بعمود المرفقوتحتوي على بعض الأجزاء الدوارة مثل عمود الكامات، ويمكن أن تحوي فتحة تعبئة الزيت ومؤشر قياس مستوى الزيت، تتميز بمتانتها ومقاومتها الكبيرة للحمولات المختلفة المؤثرة على المحرك.
* حوض الزيت: هو عبارة عن الغطاء السفلي لعلبة المرفق، يحتوي على الزيت اللازم لتزييت الأجزاء الدوارة في المحرك، يوضع فيه مضخة خاصة تدعى بمضخة التزييت، ويزود بفتحة وسدادة مغنطيسية في أسفله لجذب البرادة المعدنية العالقة بالزيت، ولتفريغ الزيت عند اللزوم الشكل (9).
الشكل (9) يبين صورة توضيحية لحوض الزيت
1- الحوض، 2- الحافة، 3- مانعة تسرب، 4- حواجز.
يصنع حوض الزيت بالنسبة للمحركات رباعية الأشواط التي تستخدم للآليات من صفائح معدنية رقيقة مقاومة للصدمات، أما بالنسبة للمحركات الثابتة ومحركات ثنائية الأشواط فتكون مقاومة للضغط.
2.2: الأجزاء المتحركة (المجموعة المرفقية):
تقوم هذه المجموعة بتحويل الحركة الترددية للمكابس إلى حركة دورانية، وهي مكونة من الأجزاء الآتية:
المكبس، إصبع المكبس، ذراع التوصيل، المرفق، الحدافة (الفولان).
• المكبس : هو عبارة عن أسطوانة مجوفة مغلقة من الأعلى لتشكيل السطح العلوي للمكبس، يصنع بالنسبة للمحركات بطيئة الدوران من الحديد الصب، بينما بالنسبة للمحركات سريعة الدوران؛ فيتم تصنيعه من خلائط الألمنيوم ؛ وذلك لخفة الوزن، وسهولة التشكيل، وجودة ناقليتها للحرارة. يختلف شكل السطح العلوي للمكبس من محرك لآخر؛ فقد يكون مستويا، أو مقعراً، أو محدباً، وقد يحوي على تجاويف بأشكال معينة، كما هو الحال في محركات الديزل الشكل (10).
الشكل (10) يبين صورة توضيحية للأجزاء الرئيسة للمكبس وذراع التوصيل.
1- النهاية الصغرى، 2- ذراع التوصيل، 3- النهاية الكبرى، 4- المكبس، 5- أساور الإحكام
يزود المكبس على محيط جزئه العلوي الخارجي بقنوات ذات أبعاد دقيقة يركب فيها أساور إحكام فولاذية، وهذه الأساور لها نوعان هما: أساور تركب في أعلى المكبس تدعى بأساور الضغط، تمنع تسرب الغازات من حجرة الاحتراق إلى علبة المرفق، وتقلل مساحة سطح الاحتكاك بين المكبس والجدار الداخلي للأسطوانة، وتنظم توزع الحرارة على جسم المكبس، وتسهل انتقال الحرارة إلى جسم المحرك، بينما تركب أساور التزييت على القسم السفلي للمكبس ؛ حيث تعمل على تزييت جدران المكبس والأسطوانة، وقشط طبقة الزيت وتبديلها من جديد، وتسهيل حركة المكبس داخل الأسطوانة. تأخذ أساور الإحكام شكلاً حلقياً مفتوحاً وذلك عن طريق قصها بأشكال مختلفة فمنها العمودي، والمائل، والمتداخل الشكل (11).
الشكل (11) يبين صورة توضيحية لأشكال فتحات أساور الاحكام.
1- الشكل العمودي (المربع المستقيم). 2- الشكل المائل (المشطوب). 3- الشكل المتداخل (المتراكب).
أثناء تركيب أساور الإحكام على المكبس يجب التأكد من المسافة الفاصلة بين سطحي الأساور والمكبس من أجل تحقيق الإحكام الجيد ويتم تجنب وضع فتحات الأساور منضدة فوق بعضها لتلافي تشكل قناة تتسرب عبرها الغازات إلى علبة المرفق.
* إصبع المكبس: يعد إصبع المكبس محور وصل بين المكبس والنهاية الصغرى لذارع التوصيل، يصنع من الفولاذ الجيد، بحيث يؤمن وصلاً مفصلياً، وهو مفرغ من داخله ويكون سطحه الخارجي أملساً جداً ؛ وذلك من أجل تخفيف الوزن، والاستفادة منه كونه قناة للتزييت.
• ذراع التوصيل : مهمته وصل المكبس بالمرفق، وتحويل الحركة الترددية للمكبس إلى حركة دورانية ونقلها للعمود المرفقي، يصنع غالباً من الحديد المطروق أو من خلائط الألمنيوم، يتكون ذراع التوصيل من ثلاثة أقسام رئيسة هي:
- النهاية الصغرى: تمثل القسم العلوي لذراع التوصيل؛ وهي عبارة عن حلقة تحوي على بطانة (قشرة) لينة مصنوعة من خلائط النحاس لمنع تآكل رأس الذراع، وتتصل مع المكبس عن طريق إصبع المكبس.
- النهاية الكبرى : تمثل القسم السفلي لذراع التوصيل ؛ وهي عبارة عن حلقة مقسومة لقسمين لتسهيل عملية تركيب الذراع على المرفق، تحوي على بطانة تدعى بالقشرة المتحركة، تنصهر عند ارتفاع درجة الحرارة الناتجة عن قلة التزييت؛ حيث يؤدي انصهارها إلى تلافي استعصاء المرفق وذراع التوصيل.
- جسم الذراع: يصل بين نهايتي الذراع الصغرى والكبرى، يختلف مقطعه من محرك لآخر الشكل (12). يصنع من معدن مقاوم للانحناء ليتحمل تأثير القوى المنقولة من المكبس إلى المرفق، وغالباً يحتوي على قناة طولانية تصل بين النهاية الصغرى والكبرى لمرور الزيت. والشرط اللازم لقيام ذراع التوصيل بأداء عمله على الوجه الصحيح هو توازي محور النهاية الصغرى مع محور النهاية الكبرى.
الشكل (12) يبين صورة توضيحية لبعض أشكال مقاطع جسم ذراع التوصيل.
* العمود المرفقي : هو عبارة جذع معقوف معدني على شكل خط منكسر في الفراغ، تعادل عدد انحناءاته عدد المكابس أو الأذرع، توزع هذه الانحناءات بالتناوب بحيث تتوافق أوضاع المكابس مع دورة عمل المحرك. يدور العمود المرفقي بسرعة كبيرة قد تتجاوز أحياناً [r.p.m] 3000 مما ينتج عن هذا الدوران قوى نابذة كبيرة، يجب موازنتها باوزان مكافئة تدعى كتل الموازنة الشكل (13).
الشكل (13) يبين صورة توضيحية لعمود المرفق مع كتل الموازنة.
1 - كتل موازنة.
يحوي العمود المرفقي قنوات تزييت يمر الزيت ضمنها ليصل إلى المضاجع الثابتة والمتحركة. يجب أن يحقق العمود المرفقي التوازن الستاتيكي (حالة السكون)، والديناميكي (حالة الحركة).
• الحدافة (الفولان): هي عبارة عن قرص معدني سميك ذي كتلة كبيرة؛ حيث تتناسب الكتلة عكساً مع عدد الأسطوانات، تثبت الحدافة عند نهاية العمود المرفقي القريبة من علبة السرعة، وتستخدم للوصل بين المحرك ومجموعة نقل الحركة، يحوي محيطها الخارجي رموز وعلامات مختلفة، مثل (TDC) و (BDC)، وزوايا التبادل الغازي، ولحظة الاشتعال، وبداية حقن الوقود ؛ حيث يضبط وضع الأسطوانة الأولى عند النقطة الميتة العليا (TDC) الشكل (14).
الشكل (14) يبين منظراً عاماً للحدافة والعمود المرفقي.
كما يزود المحيط الخارجي للحدافة بمسنن يدعى مسنن المحيط الذي يتعشق مع مسنن المقلع عند بدء الإقلاع، ثم ينفصل عنه ذاتياً بعد دوران المحرك مباشرة.
3. جهاز التوزيع الغازي في المحرك :
يوجد نوعان من أجهزة التحكم بفتح الصمامات وإغلاقها في المحركات وذلك حسب تصميم المحرك هما:
أ. جهاز التوزيع الغازي ذو الصمام الجانبي: يعرف المحرك ذو الصمامات الجانية بالمحرك ذي الرأس على شكل حرف L حيث يتم التحكم بتوقيت حركة الصمامات بواسطة الأجزاء المبينة بالشكل (15 أ).
الشكل (15 أ) يبين صورة للعناصر الرئيسة لمجموعة التبادل الغازي ذي الصمام الجانبي
1- عمود الكامات . 2- الدافع . 3- نابض الصمام. 4-الصمام .
ب. جهاز التوزيع الغازي ذو الصمام العلوي: الشكل (16 ب)، وهو مؤلف من العناصر الآتية:
1. الصمامات والنوابض.
2. العتلات المتأرجحة (الرقاصات).
3. أذرع الدفع والدوافع.
4. عمود الكامات ومسنن تدويره.
يتم تنظيم عملية التبادل الغازي عن طريق التحكم بتوقيت دخول الشحنة او الهواء إلى الأسطوانات، ثم إعطاء الشرارة أو الحقن، ومن بعدها تصريف الغازات الناتجة عن احتراق الشحنة؛ وذلك عن طريق التحكم بفتح الصمامات الموافقة في الوقت المناسب.
الشكل (15 ب) يبين مخططاً للعناصر الرئيسة لمجموعة التبادل الغازي ذي الصمام العلوي
1- عمود الكامات. 2- الدفع. 3- ذراع الدفع، 4- العتلة المتأرجحة. 5- محور العتلات. 6- صحن النابض. 7- حلقة شق، 8- نابض الصمام. 9 - الصمام. 10- نابض ذراع الدفع. 11- برغي معايرة مع الصامولة.
* الصمامات: هي عبارة عن دسامات معدنية تتحكم بدخول الشحنة أو الهواء إلى الأسطوانات تدعى بصمامات السحب التي تتصل بأنبوبة متشعبة تسمى مشعب التغذية المرتبطة بالمفحم في محركات البنزين أو مصفاة الهواء في محركات الديزل، كما تتحكم بخروج غازات العادم منها بتزامن متوافق فيما بينها تدعى بصمامات الطرد، بحيث يحقق استمرار عمل المحرك، تتصل صمامات الطرد بمجمع خاص مرتبط بأنبوبة العادم التي تزود بكاتم صوت قد يكون من النوع الفعال الذي يحول الطاقة الحركية للحرارة، أو من النوع الارتكاسي الذي يخفض سرعة غازات العادم بإيصالها لأنبوبة أوسع قطراً إما بمسار مستقيم أو بتدفق منعكس. تؤمن الصمامات إغلاقاً محكماً يمنع تسرب الشحنة أو الغازات من حجرة الاحتراق من أجل الحفاظ على ثبات الضغط في جميع الحالات، الشكل (16).
يتكون الصمام من رأس الصمام، وساق الصمام.
شكل (16) يبين مقطعاً توضيحياً لصمام المحرك
1- رأس الصمام . 2- مقعد الصمام . 3- ساق الصمام . 4- مضجع الصمام. 5- نابض إرجاع الصمام . 6- صحن النابض . 7 - حلقة تثبيت. 8- شوط الصمام.
* راس الصمام: هو عبارة عن قرص دائري مصنوع من معدن متين، ومقاوم للحرارة، نظرا لتعرضه لدرجات حرارة عالية تتراوح بين 500 حتى 800 [درجة مئوية]، ولتحقيق الإحكام الجيد فلا بد من وجود سطح أملس ملائم لرأس الصمام تماماً في حجرة الاحتراق يستند إليه رأس الصمام بشكل محكم، يسمى بمقعد الصمام الشكل (17).
الشكل (17) يبين مقطعاً توضيحياً لمقعد الصمام.
1- مقعد الصمام . 2- الصمام.
• ساق الصمام: يتصل مع رأس الصمام، ويمر في مجرى خاص يدعى دليل الصمام، الذي يحدد اتجاه حركة الصمام ، ولإعادة الصمام لوضع الإغلاق بعد الفتح يُركب على الساق نابض الإرجاع، يخضع هذا النابض لظروف عمل صعبة وبالتالي فهو معرض للتلف والانكسار بسرعة.
يلحق ببعض المحركات جهاز خاص يدعى بالشاحن هو عبارة عن عنفتين مركبتين على محور واحد تدور إحداهما بسرعة عالية تستمد الطاقة اللازمة لحركتها من مرور غازات العادم عليها لتقوم بتدوير العنفة الأخرى التي تقوم بضغط الهواء أو الشحنة مما يحسّن من كفاءة الشحن وأداء المحرك.
* العتلة المتأرجحة (الرقاص) وذراع الدفع: يتحرك ذراع الدفع تحت تأثير الكامة، فيدفع أحد أطراف العتلة؛ فيؤدي الى تحريك الطرف الآخر دافعاً أمامه الساق ليفتح الصمام، ثم يعود الصمام لوضع الأغلاق تحت تأثير نابض الإرجاع بعد انعدام تأثير قوة الكامة عليه، كما هو موضح على الشكل (18). يمكن تعيير شوط كلية الهند الصمام عن طريق برغي وصامولة للعتلة المتأرجحة نوعان هما :
- العتلات الدورانية.
- العتلات الترددية.
الشكل (18) يبين مقطعاً توضيحياً لأنواع العتلة المتأرجحة
1 - العتلة المتأرجحة الترددية. 2 العتلة المتأرجحة الدورانية.
* التابع: يُستعمل التابع في المحركات التي يتجه فيها ساق الصمام نحو الأسفل. عندها يقوم بدفع الصمام مباشرة، فيبعده عن مقعده ليسمح للشحنة بالمرورية خلال زمن السحب، في حين يعود الصمام لوضع الإغلاق تحت تأثير قوة النابض. وللتابع أنواع مختلفة كما هو مبين بالشكل (19) وهي: التابع الكروي، التابع المسطح، التابع المحدب.
الشكل (19) يبين مقام مقاطع توضيحية لأنواع تابع الصمام.
1- تابع كروي. -2 تابع مسطح. 3- تابع محدب.
• عمود الكامات: هو عبارة عن محور معدني على حدبات، يماثل عددها عدد الصمامات، أشكالها مدروسة ومصنعة بشكل دقيق يقوم بفتح الصمامات وإغلاقها بأحكام في الوقت المناسب في أثناء دورة المحرك، طوله يساوي طول المحرك عليه حدبة عند كل صمام دخول أو خروج. وفي المحركات رباعية الأشواط، يستمد عمود الكامات حركته من العمود المرفقي عن طريق المسننات أو الجنزير؛ ليدور بسرعة زاوية تعادل نصف سرعة العمود المرفقي. يمكن أن يركب عمود الحدبات في القسم العلوي للمحرك، أو في القسم السفلي للمحرك عند علبة العمود المرفقي.
الاكثر قراءة في المكائن والالات الزراعية
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
