صمام دوار

حالت مشكلة منع التسرب دون اعتماد الصمامات الدوارة على نطاق واسع بدلاً من صمامات البوبيت في محركات الاحتراق. تتميز صمامات البوبيت بوجود مانع تسرب حول الحافة المخروطية للفتحة، ويتحسن هذا المانع مع زيادة ضغط التشغيل في غرفة الاحتراق لأن الضغط يجبر الصمام على الإغلاق. في المقابل، يجب أن تتحرك الصمامات الدوارة بحرية للتشغيل، وتحتاج إلى التشحيم بالزيت، مما يسبب مشاكل في تحمل ضغوط تصل إلى 100 بار عند درجات حرارة 1000 درجة مئوية، مع ما يصاحب ذلك من تمدد حراري لمختلف موانع التسرب وأسطوانة الصمام. يتسبب هذا التمدد في عدم محاذاة بين الصمام ومانع التسرب عند انتقال المحرك من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة التشغيل الكاملة. إذا تم ضغط موانع التسرب على الصمام بضغط أعلى لاستيعاب هذا التمدد، يحدث احتكاك عالٍ وفقدان للطاقة، بالإضافة إلى معدلات تآكل عالية. ^{[ 8 ]}

يتميز محرك الاحتراق ذو الصمام الدوار بعدة مزايا هامة مقارنةً بالمحركات التقليدية، بما في ذلك نسب انضغاط وسرعة دوران أعلى بكثير، مما يعني قدرة أكبر، ورأس أسطوانة أصغر حجمًا وأخف وزنًا، وتعقيد أقل، مما يعني موثوقية أعلى وتكلفة أقل. ونظرًا لأن صمامات السحب والعادم عادةً ما تكون مدمجة، ينبغي إيلاء اهتمام خاص لتبريد الصمامات لتجنب طرق المحرك .

استُخدمت الصمامات الدوارة في العديد من تصميمات المحركات المختلفة. حصل آر. إيه. رينولدز على براءة اختراع (US 1002756، 1911) لصمام دوار قرصي في محرك رباعي الأشواط. أُعيد تصميم هذا المفهوم بواسطة فيليكس وانكل، وهو متخصص عصامي في أنظمة منع التسرب، لم يكن يحمل شهادة هندسية ولا رخصة قيادة، وذلك لمحرك طوربيد جومو KM-8. نجحت شركة إيتالا في تطوير نوع مختلف من الصمامات الدوارة. في بريطانيا، روّجت شركة المحركات الوطنية المحدودة لمحركها ذي الصمام الدوار لاستخدامه في الطائرات المبكرة، في وقت كانت فيه صمامات البوبيت عُرضة للتلف بسبب الالتصاق أو الاحتراق. ^{[ 9 ]}

في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين، طور فرانك أسبين تصميمًا بصمام دوار يدور على نفس محور تجويف الأسطوانة، ولكن بنجاح محدود. ^{[ 10 ]}

طوّرت شركة كوتس إنترناشونال الأمريكية صمامًا دوارًا كرويًا لمحركات الاحتراق الداخلي، ليحل محل نظام صمامات البوبيت . يتميز هذا التصميم تحديدًا بأنه رباعي الأشواط، حيث تُشغّل الصمامات الدوارة بواسطة أعمدة علوية بدلًا من أعمدة الكامات العلوية (أي على خط واحد مع مجموعة من الأسطوانات). وكانت أول عملية بيع لهذا المحرك جزءًا من مولد كهربائي يعمل بالغاز الطبيعي . ^{[ 11 ]}

تُعدّ الصمامات الدوارة خيارًا مثاليًا للمحركات عالية السرعة، كتلك المستخدمة في سيارات السباق الرياضية وسيارات الفورمولا 1 ، حيث قد تتعطل صمامات البوبيت التقليدية المزودة بنوابض بسبب ظاهرة طفو الصمام ورنين النابض، وحيث يكون نظام الصمامات الديسودرومية ثقيلًا جدًا وكبير الحجم ومعقدًا للغاية من حيث التوقيت والتصميم. تُتيح الصمامات الدوارة تصميمًا أكثر إحكامًا وخفة لرأس الأسطوانة. فهي تدور بنصف سرعة المحرك (أو ربعها) وتفتقر إلى قوى القصور الذاتي الموجودة في آليات الصمامات الترددية. وهذا يسمح بسرعات محرك أعلى، مما يوفر قوة إضافية بنسبة 10% تقريبًا. استخدم محرك MGN W12 F1 في ثمانينيات القرن الماضي صمامات دوارة، لكنه لم يُستخدم في السباقات. بين عامي 2002 و2004، اختبرت شركة Bishop Innovation الأسترالية وشركة Mercedes-Ilmor الصمامات الدوارة لمحرك V10 في سيارات الفورمولا 1. ^{[ 12 ]}

استحوذت شركة BRV Pty Ltd، المملوكة لتوني واليس، أحد المصممين الأصليين للصمامات، على براءة اختراع شركة Bishop Innovations لمحرك الصمام الدوار. وقد قامت BRV بتصنيع العديد من المحركات العملية باستخدام تقنية الصمام الدوار، مثل محرك هوندا CRF 450 ، الذي تميز بعزم دوران أعلى عند سرعات المحرك المنخفضة (بزيادة 17%) والعالية (بزيادة 9%)، كما أنتج قوة كبح أكبر تصل إلى حوالي 30% عند سرعات المحرك العملية. ^{[ 12 ]} وكان المحرك أصغر حجمًا وأخف وزنًا بشكل ملحوظ، نظرًا لصغر حجم مجموعة رأس الأسطوانة.

حققت شركة "روتون إنجن ديفيلوبمنتس" البريطانية بعض التقدم في عام 2005 بتطوير محرك دراجة نارية "هوسابيرج" أحادي الأسطوانة ثنائي الدوار (أحدهما للسحب والآخر للعادم). وقد سجلت الشركة براءات اختراع، وتم تشغيل نموذج أولي في عام 2006، إلا أن دعم شركة "إم جي روفر" لها أدى إلى إفلاسها لاحقًا، مما ترك "روتون" بدون تمويل كافٍ للاستمرار. ظهرت التصاميم بعد سنوات في أستراليا مع شركة "إنجن ديفيلوبمنتس أستراليا بي تي واي ليمتد". تم إنتاج نموذج أولي مصبوب في عام 2013 على محرك ثنائي الأسطوانات متوازي لدراجة "كاواساكي نينجا 300" . لا يزال هذا المحرك قيد التطوير حتى وقت كتابة هذا التقرير، ولكنه ذو أهمية بالغة لقدرته على العمل بنسب انضغاط أعلى بكثير من محركات الصمامات الدوارة الأخرى، وذلك بفضل طريقة تبريد جديدة ومبتكرة لغرفة الاحتراق، بالإضافة إلى إمكانية إلغاء الخانق تمامًا، مما يجعله أكثر اقتصادية في استهلاك الوقود عند سرعات المحرك المنخفضة، وفقًا لما يُزعم.

قام رالف أوجدن واتسون من أوكلاند، نيوزيلندا، بتطوير محرك صمام دوار للسيارات، أثبت كفاءته، خلال عام 1989. ومنذ ذلك الحين، قطعت السيارة المزودة بهذا المحرك مسافات طويلة دون أي مشاكل، ولا تزال قيد الاستخدام. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

ابتكرت شركة أمريكية تُدعى VAZTEC نظام إحكام غلق مرنًا للصمامات الدوارة، يُعالج مشكلات الاحتكاك والإحكام التي كانت تُعاني منها التصاميم السابقة. ^{[ 15 ]} وقد قامت الشركة ببناء عشرة نماذج أولية لمحركات، بدءًا من محرك V-8 سعة 5.3 لتر وصولًا إلى محرك يدوي رباعي الأشواط سعة 28 سم مكعب. كما نجحت VAZTEC في بناء محرك ديزل يتميز بضغوط انضغاط عالية تُضاهي محركات الاحتراق بالضغط (نسبة انضغاط 20:1، وضغط احتراق 100 بار). وتتعاون الشركة حاليًا مع العديد من مُصنّعي المعدات الأصلية لتسويق تصميمها. ^{[ 16 ]} ويخضع نظام الإحكام المرن لبراءات اختراع متعددة، من بينها براءة الاختراع الأمريكية رقم 9,903,239 . ويمكن الاطلاع على نموذج ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) للصمام الدوار من VAZTEC عبر هذا الرابط.

يُستخدم الصمام الدوار على شكل قرص مسطح، والمعروف أيضًا بصمام القرص، في محركات الدراجات النارية ثنائية الأشواط ، حيث يساعد هذا التصميم على منع التدفق العكسي إلى منفذ السحب أثناء شوط الضغط. استخدمت شركة روتاكس النمساوية لتصنيع المحركات صمامات السحب الدوارة في تصميم محركها ثنائي الأشواط روتاكس 532 بقوة 64 حصانًا (48 كيلوواط) الذي توقف إنتاجه، ولا تزال تستخدم صمامات السحب الدوارة في محرك روتاكس 582 الحالي بقوة 64 حصانًا (48 كيلوواط) والذي لا يزال قيد الإنتاج . ^{[ 17 ]} ويفريدو ريكارت ، مهندس إسباني عمل في ألفا روميو ثم في بيغاسو ، كان قد تقدم بطلب للحصول على براءة اختراع نظام تشغيل الصمام "ديسمودروميك" في عام 1924، برقم براءة الاختراع FR590149؛ وحصل على براءة اختراع أخرى، ES166367، في عام 1944، لصمام دوار لمحركات ثنائية الأشواط. وهناك أيضاً صمام من نوع إيتالا، حاصل على براءة اختراع رقم ES0117737. وقد حاولت شركة لوتس شيئاً مشابهاً، وفقاً للورقة الفنية رقم 920779 الصادرة عن جمعية مهندسي السيارات.