حلقة المكبس

حلقة المكبس هي حلقة معدنية مقسمة يتم تثبيتها على الجزء الخارجي من المكبس في محرك الاحتراق الداخلي أو محرك البخار .

تتمثل الوظائف الرئيسية لحلقات المكابس في المحركات فيما يلي:

1. إحكام إغلاق غرفة الاحتراق بحيث يكون هناك حد أدنى من فقدان الغازات إلى علبة المرافق.
2. تحسين انتقال الحرارة من المكبس إلى جدار الأسطوانة .
3. الحفاظ على الكمية المناسبة من الزيت بين المكبس وجدار الأسطوانة
4. تنظيم استهلاك زيت المحرك عن طريق كشط الزيت من جدران الأسطوانة وإعادته إلى حوض الزيت. ^{[ 1 ]}

معظم حلقات المكابس مصنوعة من الحديد الزهر أو الفولاذ .

صُممت حلقات المكبس لإحكام إغلاق الفجوة بين المكبس وجدار الأسطوانة. ^{[ 2 ]} إذا كانت هذه الفجوة صغيرة جدًا، فقد يؤدي التمدد الحراري للمكبس إلى انحشاره داخل الأسطوانة، مما يُسبب أضرارًا جسيمة للمحرك. من ناحية أخرى، تؤدي الفجوة الكبيرة إلى عدم إحكام إغلاق حلقات المكبس على جدران الأسطوانة بشكل كافٍ، مما ينتج عنه تسرب مفرط للغازات (دخول غازات الاحتراق إلى علبة المرافق) وانخفاض الضغط على المكبس، وبالتالي انخفاض قدرة المحرك.

تُسبب حركة انزلاق حلقات المكبس داخل جدار الأسطوانة فقدانًا للطاقة بسبب الاحتكاك في المحرك. ويُشكل الاحتكاك الناتج عن حلقات المكبس حوالي 24% من إجمالي فقدان الطاقة الناتج عن الاحتكاك الميكانيكي في المحرك. ^{[ 3 ] [ 4 ]} ولذلك، يُعد تصميم حلقات المكبس حلاً وسطًا بين تقليل الاحتكاك إلى أدنى حد، وتحقيق إحكام جيد، وعمر افتراضي مقبول.

يُعدّ تزييت حلقات المكابس عمليةً معقدة، وقد شكّلت دافعًا رئيسيًا لتحسين جودة زيوت المحركات . يجب أن يتحمّل الزيت درجات الحرارة العالية والظروف القاسية مع احتكاك انزلاقي عالي السرعة. وتزداد صعوبة التزييت نظرًا لأن الحلقات تتحرك حركةً اهتزازية بدلًا من الدوران المستمر (كما هو الحال في محامل الدوران). عند حدود حركة المكبس، تتوقف الحلقة وتعكس اتجاهها، مما يُخلّ بتأثير إسفين الزيت الطبيعي في المحامل الهيدروديناميكية ، ويُقلّل من فعالية التزييت.

تُزود الحلقات أيضاً بنوابض لزيادة قوة التلامس والحفاظ على إحكام الإغلاق. وتُستمد قوة النابض إما من صلابة الحلقة نفسها أو من نابض منفصل خلف حلقة الإحكام.

من المهم أن تتحرك حلقات المكبس بحرية في أخاديدها داخل المكبس، حتى تبقى على اتصال مع الأسطوانة. ^{[ 5 ]} قد يؤدي انحشار حلقات المكبس، والذي ينتج عادةً عن تراكم نواتج الاحتراق أو تلف زيت التشحيم، إلى تعطل المحرك، وهو سبب شائع لأعطال محركات الديزل.

استخدمت محركات البخار المبكرة حشوة من القنب لإغلاق غرفة الاحتراق، ^{[ 9 ]} مما تسبب في مقاومة احتكاك عالية ولم يوفر ختمًا فعالًا للغاية.

ظهر أول استخدام لحلقة المكبس في أسطوانات محرك بخاري عام 1825 على يد نيل سنودغراس ، وهو مهندس ومالك مطحنة من غلاسكو، لاستخدامها في آلاته الخاصة. استُخدمت النوابض في هذه التقنية للحفاظ على إحكام غلق الحلقة ومنع تسرب البخار. بعد استخدامها داخل المطحنة، جُرِّبت هذه التقنية على الباخرة "كاليدونيا" التي كانت تبحر في نهر غاريلوخ . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

ابتكر جون رامسبوتوم التصميم الحديث لحلقة المكبس المعدنية المنقسمة في خمسينيات القرن التاسع عشر. كان تصميم رامسبوتوم الأولي عام 1852 دائري الشكل، إلا أنه كان يتآكل بشكل غير متساوٍ ولم يحقق النجاح المرجو. في عام 1854، زُعم أن تصميمًا مُعدَّلًا يتمتع بعمر افتراضي يصل إلى 6437 كيلومترًا (4000 ميل) . ^{[ 12 ]} استند هذا الاكتشاف إلى أن الحلقة الدائرية تمامًا (قبل التركيب) ذات الشق لا تُمارس ضغطًا متساويًا على جدران الأسطوانة بعد تركيبها. صُنعت حلقة المكبس المُعدَّلة بشكل غير دائري، بحيث تُمارس ضغطًا متساويًا بعد تركيبها في الأسطوانة. وثّقت براءة اختراع عام 1855 هذا التغيير. أدى التحول إلى حلقات المكبس المعدنية إلى تقليل مقاومة الاحتكاك وتسرب البخار وكتلة المكبس بشكل كبير، مما أدى إلى زيادات ملحوظة في القدرة والكفاءة وفترات صيانة أطول.  

تتعرض حلقات المكابس للتآكل أثناء حركتها داخل تجويف الأسطوانة، نتيجةً لحملها الذاتي وحمل الغاز المؤثر عليها. وللحد من هذا التآكل، تُصنع من مواد مقاومة للتآكل، مثل الحديد الزهر والفولاذ، وتُطلى أو تُعالج لتعزيز مقاومتها للتآكل. تشمل الطلاءات المستخدمة في الدراجات النارية الحديثة الكروم ، ^{[ 13 ]} والنيتريد ، ^{[ 14 ]} أو الطلاء الخزفي المصنوع بتقنية الترسيب البلازمي ^{[ 15 ]} أو الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD). ^{[ 16 ] [ 17 ]} تحتوي معظم محركات الديزل الحديثة على حلقات علوية مطلية بطبقة كروم معدلة (تُعرف باسم CKS أو GDC)، ^{[ 13 ]} والتي تحتوي على جزيئات من أكسيد الألومنيوم أو الماس، على التوالي، ضمن سطح الكروم.

في محركات الشوطين، يعد تصميم المنفذ أيضًا عاملاً مهمًا في عمر حلقات المكبس.

أظهرت الدراسات التجريبية لعلم الاحتكاك لمواد حلقات المكابس أن الفولاذ عالي النيتروجين الحديث المستخدم في أنظمة حلقات وبطانات محركات الاحتراق الداخلي قد يُظهر سلوك تآكل يتأثر بشدة بالوقود المحتوي على الهيدروجين والتركيب الكيميائي لسوائل التبريد والتشحيم. في ظل ظروف التشحيم الحدودي، يمكن للهيدروجين المتولد أثناء التحلل الكيميائي الاحتكاكي لمواد التشحيم أن ينتشر إلى الطبقات القريبة من سطح مواد الحلقة، مما يُعدّل آليات الاحتكاك، وشدة التآكل، وتطور التلف السطحي. ترتبط هذه التأثيرات بتغيرات في استجابة التحميل التلامسي، وعمليات تكوين الحطام، والتحولات الميكروية في منطقة الاحتكاك، مما يُبرز أهمية ظواهر التدهور المُساعد بالهيدروجين في تقييم متانة حلقات المكابس العاملة في بيئات الوقود والتشحيم الحديثة. ^{[ 18 ]}

أظهرت دراسات حديثة في علم الاحتكاك أن سلوك تآكل حلقات المكابس وبطانات الأسطوانات يتأثر بشدة بنقص التزييت، وحلول هندسة الأسطح، وتطور أحمال التلامس أثناء تشغيل المحرك. وكشفت التحقيقات التجريبية في ظل ظروف نقص التزييت أن سطح التلامس بين الحلقة والبطانة قد يمر بمراحل انتقالية من التآكل الكاشط والتأكسدي الطفيف إلى التآكل الشديد المصاحب لتدهور الطبقة الاحتكاكية وزيادة معامل الاحتكاك، مما يؤثر بشكل مباشر على موثوقية المكون وعمره التشغيلي. ^{[ 19 ]} وللحد من عمليات التدهور هذه، تستخدم حلقات المكابس الحديثة بشكل متزايد طلاءات صلبة متطورة تُنتج بتقنيات الترسيب الفيزيائي للبخار، بما في ذلك أنظمة متعددة الطبقات تحتوي على الكروم والنيتريد والكربون، مصممة لتقليل فقدان الاحتكاك وتحسين مقاومة التآكل في بيئات الاحتراق. ^{[ 20 ]} وتؤكد مراجعات تقنيات الطلاء الحديثة على أهمية عمليات الترسيب المُحسّنة، والهياكل النانوية، والخصائص الاحتكاكية المُخصصة لتحسين المتانة وكفاءة الطاقة وأداء الانبعاثات لمحركات الاحتراق الداخلي. ^{[ 21 ]}

• أسطوانة (محرك)
• قائمة قطع غيار السيارات
• حلقة السداد
• قناة
• فحص الغاز