مشعب السحب

مشعب السحب ( أو مشعب المدخل ) هو جزء من محرك الاحتراق الداخلي يُزوّد ​​الأسطوانات بخليط الوقود والهواء . ^{[ 1 ]} كلمة "مشعب" مشتقة من الكلمة الإنجليزية القديمة manigfeald (من الكلمتين الأنجلوسكسونيتين manig [كثير] و feald [بشكل متكرر]) ، وتشير إلى تكرار أنبوب واحد إلى عدة أنابيب. ^{[ 2 ]}

وعلى النقيض من ذلك، يقوم مشعب العادم بتجميع غازات العادم من أسطوانات متعددة في عدد أقل من الأنابيب  - غالباً ما يصل إلى أنبوب واحد.

تتمثل الوظيفة الأساسية لمشعب السحب في توزيع خليط الاحتراق (أو الهواء فقط في محرك الحقن المباشر) بالتساوي على كل منفذ سحب في رأس الأسطوانة. يُعد التوزيع المتساوي مهمًا لتحسين كفاءة وأداء المحرك. وقد يُستخدم أيضًا كقاعدة لتثبيت المكربن، وجسم الخانق، وحاقنات الوقود، ومكونات أخرى للمحرك.

بسبب حركة المكابس إلى الأسفل والتقييد الناتج عن صمام الخانق، يتولد في محرك الاحتراق الداخلي ذي الإشعال الشراري فراغ جزئي (أقل من الضغط الجوي ) في مشعب السحب. قد يكون هذا الفراغ كبيرًا، ويمكن استخدامه كمصدر طاقة إضافية لتشغيل أنظمة مساعدة في السيارة ، مثل: المكابح المعززة ، وأجهزة التحكم في الانبعاثات، ونظام تثبيت السرعة ، ونظام توقيت الإشعال ، ومساحات الزجاج الأمامي ، والنوافذ الكهربائية ، وصمامات نظام التهوية، وغيرها.

يمكن استخدام هذا الفراغ أيضًا لسحب غازات الاحتراق المتسربة من علبة المرافق في المحرك . يُعرف هذا بنظام تهوية علبة المرافق الإيجابي ، حيث تُحرق الغازات مع خليط الوقود والهواء.

تاريخياً، كان يتم تصنيع مشعب السحب من الألومنيوم أو الحديد الزهر، ولكن استخدام المواد البلاستيكية المركبة يكتسب شعبية متزايدة (على سبيل المثال معظم محركات كرايسلر ذات 4 أسطوانات، وفورد زيتيك 2.0، ودوراتيك 2.0 و2.3، وسلسلة إيكوتيك من جنرال موتورز ).

يقوم المكربن ​​أو حاقنات الوقود برش قطرات الوقود في الهواء داخل مشعب السحب. وبسبب القوى الكهروستاتيكية والتكثيف الناتج عن الطبقة الحدية، يتجمع بعض الوقود على شكل برك على طول جدران المشعب، وبسبب التوتر السطحي للوقود، قد تتحد القطرات الصغيرة لتكوين قطرات أكبر في تيار الهواء. كلا الأمرين غير مرغوب فيهما لأنهما يُحدثان اختلالات في نسبة الهواء إلى الوقود . يساعد الاضطراب في مدخل الهواء على تفتيت قطرات الوقود، مما يُحسّن درجة التذرية. يسمح التذرية الأفضل باحتراق أكثر اكتمالاً للوقود ويُساعد على تقليل طرق المحرك عن طريق توسيع جبهة اللهب. ولتحقيق هذا الاضطراب، من الممارسات الشائعة ترك أسطح مدخل الهواء ومنافذ السحب في رأس الأسطوانة خشنة وغير مصقولة.

لا يُعدّ سوى قدرٍ معين من الاضطراب مفيدًا في مدخل الهواء. فبمجرد أن يصبح الوقود مُرَذَّذًا بشكلٍ كافٍ، يتسبب الاضطراب الإضافي في انخفاضات غير ضرورية في الضغط وانخفاض في أداء المحرك.

يُعد تصميم وتوجيه مشعب السحب عاملاً رئيسياً في كفاءة المحرك الحجمية . فالتغيرات المفاجئة في شكله تُسبب انخفاضاً في الضغط، مما يؤدي إلى دخول كمية أقل من الهواء (أو الوقود) إلى غرفة الاحتراق؛ أما مشعبات السحب عالية الأداء فتتميز بأسطحها الملساء وانتقالاتها التدريجية بين أجزائها المتجاورة.

تستخدم مشعبات السحب الحديثة عادةً أنابيبًا فردية تمتد إلى كل منفذ سحب في رأس الأسطوانة، وتنبثق من حيز مركزي أو "غرفة تجميع" أسفل المكربن. يكمن الغرض من هذه الأنابيب في الاستفادة من خاصية رنين هيلمهولتز للهواء. يتدفق الهواء بسرعة كبيرة عبر الصمام المفتوح. عند إغلاق الصمام، يظل الهواء الذي لم يدخله بعد محتفظًا بزخم كبير، فينضغط على الصمام، مُشكلاً جيبًا من الضغط العالي. يبدأ هذا الهواء ذو ​​الضغط العالي بالتعادل مع الهواء ذي الضغط المنخفض في المشعب. وبسبب قصور الهواء الذاتي، يميل هذا التعادل إلى التذبذب: في البداية، يكون ضغط الهواء في الأنابيب أقل من ضغطه في المشعب. ثم يحاول الهواء في المشعب العودة إلى الأنابيب لمعادلة الضغط، ويتكرر التذبذب. تحدث هذه العملية بسرعة الصوت، وفي معظم المشعبات، ينتقل الهواء صعودًا وهبوطًا في الأنابيب عدة مرات قبل أن يُفتح الصمام مرة أخرى.

كلما صغرت مساحة المقطع العرضي للمجرى، زادت تغيرات الضغط عند الرنين لتدفق هواء معين. يُحاكي هذا الجانب من رنين هيلمهولتز إحدى نتائج تأثير فنتوري . فعندما يتسارع المكبس إلى الأسفل، ينخفض ​​الضغط عند مخرج مجرى السحب. تنتقل نبضة الضغط المنخفض هذه إلى طرف المدخل، حيث تتحول إلى نبضة ضغط زائد. تعود هذه النبضة عبر المجرى وتدفع الهواء عبر الصمام، ثم يُغلق الصمام.

للاستفادة القصوى من تأثير رنين هيلمهولتز، يجب ضبط توقيت فتح صمام السحب بدقة، وإلا فقد يكون للنبضة تأثير سلبي. يُمثل هذا تحديًا كبيرًا للمحركات، لأن توقيت الصمامات ديناميكي ويعتمد على سرعة المحرك، بينما توقيت النبضة ثابت ويعتمد على طول مجرى السحب وسرعة الصوت. كان الحل التقليدي هو ضبط طول مجرى السحب لسرعة محرك محددة لتحقيق أقصى أداء. مع ذلك، أتاحت التكنولوجيا الحديثة عددًا من الحلول التي تتضمن التحكم الإلكتروني في توقيت الصمامات (مثل نظام VANOS )، وهندسة السحب الديناميكية (انظر أدناه).

نتيجةً لتقنية "ضبط الرنين"، تعمل بعض أنظمة السحب ذات السحب الطبيعي بكفاءة حجمية تتجاوز 100%: حيث يكون ضغط الهواء في غرفة الاحتراق قبل شوط الضغط أعلى من الضغط الجوي. وبالتزامن مع هذه الميزة في تصميم مشعب السحب، يمكن معايرة تصميم مشعب العادم، بالإضافة إلى توقيت فتح صمام العادم، لتحقيق إخلاء أكبر للأسطوانة. يُحقق مشعب العادم فراغًا في الأسطوانة قبيل وصول المكبس إلى أعلى نقطة ميتة. عندئذٍ، يمكن لصمام السحب المفتوح - عند نسب الضغط النموذجية - أن يملأ 10% من الأسطوانة قبل بدء حركته للأسفل. وبدلًا من تحقيق ضغط أعلى في الأسطوانة، يمكن لصمام السحب أن يبقى مفتوحًا بعد وصول المكبس إلى أسفل نقطة ميتة بينما يستمر تدفق الهواء.

في بعض المحركات، تكون أنابيب السحب مستقيمة لتقليل المقاومة. أما في معظم المحركات، فتتميز هذه الأنابيب بانحناءات، بعضها شديد الالتواء، لتحقيق الطول المطلوب. تسمح هذه الانحناءات بتصميم مشعب سحب أكثر إحكامًا، مما يُحسّن من كثافة المحرك ككل. كما أن هذه الأنابيب "المتعرجة" ضرورية في بعض تصميمات أنابيب السحب المتغيرة الطول/المنقسمة، وتسمح بتقليل حجم غرفة الاحتراق . في محرك بست أسطوانات على الأقل، يكون متوسط ​​تدفق السحب ثابتًا تقريبًا، وبالتالي يمكن أن يكون حجم غرفة الاحتراق أصغر. ولتجنب الموجات المستقرة داخلها، تُصمم غرفة الاحتراق بأصغر حجم ممكن. يستخدم كل أنبوب سحب جزءًا أصغر من سطح غرفة الاحتراق مقارنةً بالمدخل الرئيسي الذي يزودها بالهواء، وذلك لأسباب ديناميكية هوائية. يُوضع كل أنبوب بحيث تكون المسافة بينه وبين المدخل الرئيسي متساوية تقريبًا. أما الأنابيب التي تعمل أسطواناتها بتقارب، فلا تُوضع متجاورة.

في مشعبات السحب ذات الزاوية 180 درجة ، المصممة أصلاً لمحركات V8 ذات المكربن، يفصل مشعب السحب ثنائي المستوى، ذو الحجرة المنفصلة، ​​نبضات السحب التي يتعرض لها المشعب بزاوية 180 درجة في ترتيب الإشعال. هذا يقلل من تداخل موجات ضغط أسطوانة مع موجات أسطوانة أخرى، مما يوفر عزم دوران أفضل بفضل التدفق السلس في نطاق السرعات المتوسطة. ربما صُممت هذه المشعبات في الأصل لمكربن ​​ثنائي أو رباعي الفتحات، ولكنها تُستخدم الآن مع كل من نظام حقن الوقود عبر جسم الخانق ونظام الحقن متعدد النقاط . ومن الأمثلة على ذلك محرك هوندا J الذي يتحول إلى مشعب أحادي المستوى عند حوالي 3500 دورة في الدقيقة لزيادة ذروة التدفق وقوة المحرك.

كانت مشعبات التسخين القديمة ذات "الممرات الرطبة" لمحركات الكربراتير تستخدم تحويل غاز العادم عبر مشعب السحب لتوفير الحرارة اللازمة للتبخير. وكان يتم التحكم في كمية تحويل تدفق غاز العادم بواسطة صمام تسخين في مشعب العادم، ويستخدم نابضًا ثنائي المعدن يتغير شدّه تبعًا للحرارة في المشعب. أما محركات الحقن الإلكتروني للوقود الحديثة فلا تحتاج إلى مثل هذه الأجهزة.

مشعب السحب ذو الطول المتغير ( VLIM ) هو تقنية لمشعبات محركات الاحتراق الداخلي . توجد أربعة تطبيقات شائعة. أولًا، يُستخدم مساران منفصلان للسحب بأطوال مختلفة، ويمكن لصمام فراشة إغلاق المسار القصير. ثانيًا، يمكن ثني مساري السحب حول غرفة تجميع مشتركة، ويفصلهما صمام منزلق عن غرفة التجميع بطول متغير. يمكن تزويد مسارات السحب المستقيمة عالية السرعة بسدادات تحتوي على امتدادات صغيرة طويلة. يمكن تقسيم غرفة تجميع محرك بست أو ثماني أسطوانات إلى نصفين، أحدهما للأسطوانات ذات الاحتراق الزوجي والآخر للأسطوانات ذات الاحتراق الفردي. تتصل غرفتا التجميع الفرعيتان ومدخل الهواء بوصلة على شكل حرف Y (غرفة تجميع رئيسية). يتذبذب الهواء بين غرفتي التجميع الفرعيتين، مع تذبذب كبير في الضغط بينهما، بينما يكون الضغط ثابتًا في غرفة التجميع الرئيسية. يمكن تغيير طول كل مسار من غرفة التجميع الفرعية إلى غرفة التجميع الرئيسية. بالنسبة لمحركات V، يمكن تنفيذ ذلك عن طريق تقسيم غرفة ضغط كبيرة واحدة عند سرعة المحرك العالية عن طريق إدخال صمامات منزلقة فيها عند انخفاض السرعة.

كما يوحي الاسم، يمكن لـ VLIM تغيير طول مسار السحب من أجل تحسين القوة وعزم الدوران ، فضلاً عن توفير كفاءة أفضل في استهلاك الوقود .

هناك تأثيران رئيسيان لهندسة المدخل المتغيرة:

• تأثير فنتوري : عند دورات المحرك المنخفضة ، تزداد سرعة تدفق الهواء بتوجيهه عبر مسار ذي سعة محدودة (مساحة مقطع عرضي). ينفتح المسار الأوسع مع ازدياد الحمل، مما يسمح بدخول كمية أكبر من الهواء إلى حجرة الاحتراق. في تصميمات عمود الكامات العلوي المزدوج (DOHC)، غالبًا ما تُوصل مسارات الهواء بصمامات سحب منفصلة ، ​​بحيث يمكن استبعاد المسار الأقصر بتعطيل صمام السحب نفسه.
• الضغط : يمكن لمسار سحب هواء مُعدّل أن يُحدث تأثير ضغط خفيف مشابه لتأثير الشاحن التوربيني منخفض الضغط ، وذلك بفضل رنين هيلمهولتز. مع ذلك، يقتصر هذا التأثير على نطاق ضيق من سرعة المحرك، ويتأثر مباشرةً بطول مسار السحب. يُمكن لمسار السحب المتغير أن يُنشئ منطقتين أو أكثر من "النقاط الساخنة" المضغوطة. عندما تكون سرعة هواء السحب أعلى، يزداد الضغط الديناميكي الذي يدفع الهواء (أو خليط الوقود والهواء) داخل المحرك. يتناسب الضغط الديناميكي طرديًا مع مربع سرعة هواء السحب، لذا فإن تضييق أو إطالة مسار السحب يزيد من السرعة/الضغط الديناميكي.

تستخدم العديد من شركات تصنيع السيارات تقنية مماثلة بأسماء مختلفة. ومن المصطلحات الشائعة الأخرى لهذه التقنية نظام الحث بالرنين المتغير ( VRIS ).

• تعديل منافذ رأس الأسطوانة
• قائمة قطع غيار السيارات
• قولبة الحقن ذات النواة القابلة للانصهار