محرك ذو عمود كامات علوي

يُعدّ تصميم عمود الكامات العلوي الأحادي (SOHC) أقدم تصميم لمحركات عمود الكامات العلوي . ^{[ 1 ]} يحتوي محرك SOHC على عمود كامات واحد لكل صف من الأسطوانات، وبالتالي يحتوي المحرك المستقيم على عمود كامات واحد، بينما يحتوي المحرك على شكل V أو المحرك المسطح على عمودَي كامات (واحد لكل صف من الأسطوانات).

تحتوي معظم محركات SOHC على صمامين لكل أسطوانة (أحيانًا 3 أو 4)، صمام سحب واحد وصمام عادم واحد. ^{[ أ ]} عادةً ما تُنقل حركة عمود الكامات إلى الصمامات إما مباشرةً (باستخدام رافع الصمام ) أو بشكل غير مباشر عبر ذراع التأرجح . ^{[ 1 ]}

يحتوي محرك الكامات المزدوجة العلوية على عمودَي كامات فوق كل صف من أسطوانات رأس الأسطوانة، ^{[ 1 ] [ 2 ]} أحدهما لصمامات السحب والآخر لصمامات العادم. لذا ، يوجد عمودا كامات في المحرك المستقيم، وأربعة أعمدة كامات في محرك V أو المحرك المسطح .

يتطلب محرك AV أو المحرك المسطح أربعة أعمدة كامة ليعمل كمحرك DOHC، إذ أن وجود عمودين كامة فقط سيؤدي إلى عمود كامة واحد لكل صف أسطوانات في هذه المحركات. وقد تم تسويق بعض محركات V ذات الأربعة أعمدة كامة تحت مسمى "محركات رباعية الكامات"، ^{[ 9 ]} إلا أن مصطلح "رباعية الكامات" يتطلب تقنيًا أربعة أعمدة كامة لكل صف أسطوانات (أي ثمانية أعمدة كامة إجمالًا)، وبالتالي فإن هذه المحركات هي ببساطة محركات ذات عمودين كامة علويين .

تحتوي العديد من محركات DOHC على 4 صمامات لكل أسطوانة (وأحيانًا 5، كما في سيارات أودي أو فولكس فاجن على سبيل المثال). ^{[ ب ]} عادةً ما يُشغّل عمود الكامات الصمامات مباشرةً عبر رافع صمام . يسمح تصميم DOHC بزاوية أوسع بين صمامات السحب والعادم مقارنةً بمحركات SOHC، مما يُحسّن تدفق خليط الهواء والوقود عبر المحرك. ومن المزايا الأخرى إمكانية وضع شمعة الإشعال في الموقع الأمثل، مما يُحسّن بدوره كفاءة الاحتراق . ومن المزايا الحديثة الأخرى لتصميم محركات DOHC القدرة على تغيير/ضبط توقيت كل عمود كامات وعمود المرفق بشكل مستقل. وهذا يُحسّن من كفاءة استهلاك الوقود من خلال توفير منحنى عزم دوران أوسع. على الرغم من أن لكل مُصنّع رئيسي اسمه التجاري الخاص بنظام ضبط توقيت الكامات المتغير، إلا أنها تُصنّف جميعها عمومًا ضمن أنظمة توقيت الصمامات المتغير .

يدور عمود الكامات بواسطة عمود المرفق . تستخدم العديد من محركات القرن الحادي والعشرين حزام توقيت مسنن مصنوع من المطاط والكيفلار لتحريك عمود الكامات. ^{[ 1 ] [ 10 ]} أحزمة التوقيت غير مكلفة، وتُصدر ضوضاء قليلة، ولا تحتاج إلى تزييت. ^{[ 11 ] : 93} من عيوب أحزمة التوقيت الحاجة إلى استبدالها بانتظام؛ ^{[ 11 ] : 94} يتراوح العمر الافتراضي الموصى به للحزام عادةً بين 50,000 و 100,000 كيلومتر (31,000-62,000 ميل) . ^{[ 11 ] : 94-95 [ 12 ] : 250} إذا لم يتم استبدال حزام التوقيت في الوقت المناسب وتعطل، وكان المحرك من نوع المحركات ذات التداخل ، فقد يتعرض المحرك لأضرار جسيمة. في أغلب الأحيان، سيتعين أيضًا إعادة ضبط توقيت المحرك أو إعادة تهيئته في حال إصلاحه، لأن التوقيتات، مثل توقيت الإشعال وحركة الصمامات، ستكون عادةً غير مضبوطة.  

كان أول استخدام معروف لأحزمة التوقيت في السيارات لتشغيل أعمدة الكامات العلوية هو سيارات ديفين بانارد المخصصة للسباقات عام 1953 ، والتي صُممت خصيصًا لسلسلة سباقات SCCA H-modified في الولايات المتحدة. ^{[ 13 ] : 62} استندت هذه المحركات إلى محركات بانارد ثنائية الأسطوانات ذات الصمامات العلوية، والتي تم تحويلها إلى محركات ذات عمود كامات علوي مفرد باستخدام مكونات من محركات دراجات نورتون النارية. ^{[ 13 ] : 62} أما أول سيارة إنتاجية تستخدم حزام التوقيت فكانت سيارة جلاس 1004 الكوبيه المدمجة عام 1962. ^{[ 14 ]}

من طرق تشغيل عمود الكامات الشائعة الاستخدام في المحركات الحديثة سلسلة التوقيت ، المصنوعة من صف واحد أو صفين من بكرات معدنية . ^{[ 1 ] [ 10 ]} وبحلول أوائل الستينيات، اعتمدت معظم تصميمات أعمدة الكامات العلوية في السيارات على السلاسل لتشغيل عمود الكامات. ^{[ 15 ] : 17} لا تتطلب سلاسل التوقيت عادةً استبدالًا دوريًا، إلا أن عيبها أنها أكثر ضجيجًا من أحزمة التوقيت. ^{[ 12 ] : 253}

يُستخدم نظام تروس بين عمود المرفق وعمود الكامات بشكل شائع في محركات الديزل ذات عمود الكامات العلوي المستخدمة في الشاحنات الثقيلة. [ 16 ^{] أما أنظمة} التروس فلا تُستخدم عادةً في محركات الشاحنات الخفيفة أو السيارات. ^{[ 1 ]}

استخدمت العديد من محركات الكامات العلوية (OHC) حتى خمسينيات القرن العشرين عمودًا مزودًا بتروس مخروطية لتشغيل عمود الكامات. ومن الأمثلة على ذلك: مودسلي 25/30 (1908-1911) ، ^{[ 17 ] [ 18 ]} وبنتلي 3 لتر ، ^{[ 19 ]} وليبرتي L-12 (1917-؟) ، ^{[ 20 ]} وإم جي ميدجيت ( 1929-1932 )، وفيلوسيت من سلسلة K ( 1925-1948) ، ^{[ 21 ]} ونورتون إنترناشونال (1931-1957) ، ونورتون مانكس (1947-1962) . ^{[ 22 ]} في العصر الحديث، استخدمت محركات الدراجات النارية دوكاتي أحادية الأسطوانة (1950-1974) ، ^{[ 23 ]} ومحرك دوكاتي ثنائي الأسطوانات على شكل حرف L (1973-1980) ، وكاواساكي W650 (1999-2007) ، وكاواساكي W800 (2011-2016) أعمدة مخروطية. ^{[ 24 ] [ 25 ]} كان محرك كروسلي رباعي الأسطوانات آخر محرك سيارات يستخدم تصميم برج العمود لتشغيل عمود الكامات، وذلك من عام 1946 إلى عام 1952؛ وقد اشترت عدة شركات حقوق تصميم محرك كروسلي، بما في ذلك جنرال تاير عام 1952، ثم فاجيول عام 1955، وكروفتون عام 1959، وهوملايت عام 1961، وفيشر بيرس عام 1966، بعد إغلاق كروسلي مصنعها للسيارات، واستمرت هذه الشركات في إنتاج المحرك نفسه لعدة سنوات أخرى.

استُخدم نظام إدارة عمود الكامات، الذي يعتمد على ثلاث مجموعات من أعمدة المرفق وقضبان التوصيل المتوازية، في سيارة ليلاند إيت الفاخرة التي صُنعت في المملكة المتحدة بين عامي 1920 و1923. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} واستُخدم نظام مشابه في سيارتي بنتلي سبيد سيكس (1926-1930) وبنتلي 8 لتر (1930-1932) . ^{[ 28 ] [ 29 ]} بينما استُخدم نظام ثنائي القضبان مع أثقال موازنة في كلا الطرفين في العديد من طرازات سيارة إن إس يو برينز (1958-1973) . ^{[ 15 ] : 16-18}

من بين أوائل محركات عمود الكامات العلوي، كان محرك مودسلي ذو عمود الكامات العلوي المفرد (SOHC) الذي صُنع عام 1902 في المملكة المتحدة ^{[ 18 ] : 210 [ 15 ] : 906 [ 30 ]} ، ومحرك مار للسيارات ذو عمود الكامات العلوي المفرد (SOHC) الذي صُنع عام 1903 في الولايات المتحدة. ^{[ 31 ] [ 32 ]} أما أول محرك ذو عمود كامات علوي مزدوج (DOHC) فكان محرك بيجو رباعي الأسطوانات، وهو المحرك الذي زوّد السيارة التي فازت بسباق الجائزة الكبرى الفرنسي عام 1912. وفازت سيارة بيجو أخرى مزودة بمحرك DOHC بسباق الجائزة الكبرى الفرنسي عام 1913 ، تلتها سيارة مرسيدس-بنز 18/100 GP المزودة بمحرك SOHC والتي فازت بسباق الجائزة الكبرى الفرنسي عام 1914 .

كانت سيارة إيسوتا فراشيني تيبو كيه إم - التي تم تصنيعها في إيطاليا بين عامي 1910 و1914 - واحدة من أوائل السيارات الإنتاجية التي استخدمت محرك SOHC. ^{[ 33 ]}

خلال الحرب العالمية الأولى، سعت كل من دول الحلفاء ودول المحور ، وتحديدًا قوات سلاح الجو الألماني ( لوفتشترايتكرافت) ، إلى تطبيق تقنية عمود الكامات العلوي المستخدمة في محركات سباقات السيارات على محركات الطائرات العسكرية. وأصبح محرك SOHC من سيارة مرسيدس 18/100 GP (التي فازت بالجائزة الكبرى الفرنسية عام 1914) نقطة انطلاق لمحركات الطائرات من مرسيدس ورولز رويس. ابتكرت مرسيدس سلسلة من المحركات سداسية الأسطوانات، توجت بسيارة مرسيدس D.III . أما رولز رويس، فقد أعادت هندسة تصميم رأس أسطوانات مرسيدس استنادًا إلى سيارة سباق تُركت في إنجلترا مع بداية الحرب، مما أدى إلى إنتاج محرك رولز رويس إيجل V12. وشملت تصاميم SOHC الأخرى محرك هيسبانو سويزا 8 V8 الإسباني (ذو نظام نقل حركة مغلق بالكامل)، ومحرك ليبرتي L-12 V12 الأمريكي ، الذي اتبع تصميم نظام الصمامات SOHC المكشوف جزئيًا في تصميم مرسيدس D.IIIa اللاحق. ومحرك BMW IIIa الألماني ذو الست أسطوانات المستقيمة، من تصميم ماكس فريتز . أما محرك نابير ليون W12 ذو عمود الكامات العلوي المزدوج، فقد صُنع في بريطانيا العظمى ابتداءً من عام 1918.

استخدمت معظم هذه المحركات عمودًا لنقل الحركة من عمود المرفق إلى عمود الكامات في أعلى المحرك. وتعرضت محركات الطائرات الكبيرة، وخاصةً المحركات المبردة بالهواء، لتمدد حراري كبير، مما أدى إلى تغير ارتفاع كتلة الأسطوانات أثناء التشغيل. تسبب هذا التمدد في صعوبات لمحركات قضبان الدفع، لذا كان استخدام محرك ذي عمود كامات علوي يعمل بنظام نقل الحركة عبر عمود ذي وصلة منزلقة هو أسهل طريقة للتعامل مع هذا التمدد. كانت هذه الأعمدة المخروطية عادةً داخل أنبوب خارجي خارج كتلة المحرك، وتُعرف باسم "أعمدة البرج". ^{[ 34 ]}

• 
  1914-1918 محرك طائرة هيسبانو سويزا 8A SOHC
• 
  محرك طائرات هيسبانو-سويزا 8Be SOHC (1914-1918) مزود بـ "أعمدة برجية" في الجزء الخلفي من كل صف من الأسطوانات
• 
  رسم تخطيطي لتفاصيل نظام الصمامات العلوي لسيارة مرسيدس D.III من الإنتاج اللاحق (1917-1918) ، وقد تم نسخ ميزات تصميمها من قبل محركي BMW III و Allied Liberty L-12
• 
  صورة مقربة مفصلة لنظام الصمامات العلوي لمحرك ليبرتي L-12 ، تُظهر التشابه مع تصميم مرسيدس الذي تم إنتاجه لاحقًا

كان محرك SOHC ذو الثماني أسطوانات المستقيمة المستخدم في سيارة دوسنبرغ موديل A الفاخرة التي تم إنتاجها في الفترة من 1921 إلى 1926، أحد أوائل محركات الإنتاج الأمريكية ذات عمود الكامات العلوي. ^{[ 35 ]}

في عام 1926، أصبحت سيارة صن بيم سوبر سبورتس سعة 3 لترات أول سيارة إنتاجية تستخدم محرك DOHC. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

في الولايات المتحدة، أضافت دوسنبرغ محركات DOHC (إلى جانب محركات SOHC الموجودة لديها) مع إطلاق طراز دوسنبرغ J عام 1928 ، والذي كان يعمل بمحرك DOHC ثماني الأسطوانات. وكانت سيارة ستوتز DV32 (1931-1935 ) من أوائل السيارات الأمريكية الفاخرة التي استخدمت محرك DOHC. وفي الولايات المتحدة أيضًا، طُرح محرك أوفنهاوزر للسباقات DOHC عام 1933. هيمن هذا المحرك رباعي الأسطوانات على سباقات السيارات ذات العجلات المكشوفة في أمريكا الشمالية من عام 1934 حتى سبعينيات القرن العشرين.

من بين محركات السيارات المبكرة الأخرى ذات عمود الكامات العلوي المفرد (SOHC) محرك ولسلي تين (1920-1923 )، ومحرك إم جي 18/80 (1928-1931) ، ومحرك سينجر جونيور (1926-1935)، ومحرك ألفا روميو 6C سبورت (1928-1929) . أما الدراجات النارية المبكرة ذات عمود الكامات العلوي، فقد شملت دراجة فيلوسيت من سلسلة K (1925-1949) ودراجة نورتون CS1 (1927-1939) .

يمكن القول إن سيارة كروسلي سي سي فور، التي طُرحت بين عامي 1946 و1948، كانت أول سيارة أمريكية تُنتج بكميات كبيرة وتستخدم محركًا ذو عمود كامات علوي مفرد (SOHC). ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} وقد زُوِّدت السيارة الفائزة بسباق سيبرينغ 12 ساعة عام 1950 بهذا المحرك الصغير المُستخدم في الإنتاج بكميات كبيرة . ^{[ 38 ] : 121}

ازداد استخدام تصميم DOHC تدريجيًا بعد الحرب العالمية الثانية، بدءًا من السيارات الرياضية. ومن أبرز محركات DOHC في تلك الفترة محرك لاغوندا ذو الست أسطوانات المستقيمة (1948-1959) ، ومحرك جاكوار XK ذو الست أسطوانات المستقيمة (1949-1992)، ومحرك ألفا روميو Twin Cam ذو الأربع أسطوانات المتتالية (1954-1994). ^{[ 41 ] [ 42 ]} وكان محرك فيات Twin Cam ذو الأربع أسطوانات المتتالية (1966-2000) من أوائل محركات DOHC التي استخدمت حزام توقيت مسنن بدلًا من سلسلة التوقيت. ^{[ 43 ]}

في ثمانينيات القرن الماضي، أدى ازدياد الحاجة إلى تحسين الأداء مع تقليل استهلاك الوقود وانبعاثات العادم إلى زيادة استخدام محركات DOHC في السيارات الشائعة، بدءًا من الشركات المصنعة اليابانية. ^{[ 41 ]} وبحلول منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كانت معظم محركات السيارات تستخدم تصميم DOHC.