أطلقت كاديلاك أولى صيغها في 1981

تقنية التبدل السِعَوي تعيد الإعتبار
الى المحركات التقليدية البنية

31/05/2004 

إن بدا خفض إستهلاك المحركات، خصوصاً الضخمة منها، وكأنه مسألة محصورة بأحدث "عائلاتها"، لا سيما تلك التي تعتمد أعمدة الكامات العلوية مع ثلاثة صمامات أو أربعة منها فوق كل أسطوانة (وحتى خمسة صمامات لكل اسطوانة في بعض المحركات)، فقد تتبدّل الصورة مرة أخرى خلال الأشهر القليلة المقبلة، مع إطلاق كل من جنرال موتورز General Motors وكرايسلر Chrysler صيغتها الخاصة من تقنية التبدل السعوي Variable displacement، والمتمثل دورها في وقف إحراق الوقود في نصف أسطوانات المحرك cylinder de-activation، كلما أمكن الإكتفاء بقسم بسيط من قوة المحرك، كالقيادة الهادئة في خط مستقيم مثلاً.

فالتقنية الجديدة التي تطلقها كرايسلر حالياً تحت تسمية إم دي إس MDS, Multi-Displacement System أو نظام السعة المتبدّلة، في محرك هيمي Hemi ذي الأسطوانات الثماني V8 المتسعة لـ5.7 ليتر (قوته 340 حصاناً/ 5000 د.د. وعزم دورانه 528 نيوتون-متر/ 4000 د.د.)، أولاً في كرايسلر 300 سي Chrysler 300C ودودج ماغنوم آر تي Dodge Magnum RT في الربيع الحالي، ثم في الجيل الجديد من موديل جيب غراند شيروكيJeep Grand Cherokee الذي سيطل خريف العام الحالي، ليست إلا المرادف التقني لما أعلنت جنرال موتورز قبل ثلاثة أعوام (تقنية عرضتها موشن ترندز بتاريخ 23 ايار مايو 2001)، إعداده للإطلاق ايضاً في منتصف العام الحالي تحت تسمية "السعة حسب الطلب" Displacement on Demand, DoD.

لكن خلافاً لكرايسلر التي ستطلق التقنية الجديدة مع محرك الأسطوانات الثماني وحده، على الأقل حسب المعلن حتى الآن، تعد جنرال موتورز صيغتها من التقنية المعروفة أيضاً بتسمية "فصل الأسطوانات" cylinder de-activation، للتسويق في خيارَي الأسطوانات الثماني V8 صيف العام الحالي، أو الست V6 أيضاً إبتداء من العام المقبل.

وستطل أولى صيغ محركات جنرال موتورز المتبدلة السعة، أو ذات "السعة حسب الطلب"، صيف العام الحالي في موديلات شيفروليه ترايل بلايزر إي إكس تي Chevrolet TrailBlazer EXT وفي شقيقيه جي إم سي إنفوي GMC Envoy وجي إم سي إكس يو في XUV، مع خيار محرك الأسطوانات الثماني V8 المتسعة لـ 5.3 ليتر (ستعلن المواصفات المحددة قبيل إطلاق الفئات الجديدة)، وهو محرك فورتك في جيله التطويري الرابع Vortec IV والذي سينطلق دوماً بكامل أسطواناته، قبل وقف تشغيل صمامات نصف أسطواناته للعمل موقتاً بأربع اسطوانات فيصبح، من الناحية الوظيفية، محركاً بأربع اسطوانات V4 سعتها 2.65 ليتر. ويذكر مروراً أن المحرك ذاته يتوافر أيضاً، لكن من دون تقنية التبدل السعوي، في موديل بويك رينييه (شقيق عائلة ترايل بلايزر) كما سيتوافر ايضاً في إحدى فئات الجيل الجديد من موديل كورفيت (من دون تبديل سعوي).

وبعد محرك الأسطوانات الثماني، ستطلق جنرال موتورز التقنية ذاتها ايضاً في العام المقبل، مع محرك الأسطوانات الست V6 المتسعة لـ3.9 ليتر، والذي سيطل أولاً في موديل بونتياك جي Pontiac G6 الجديد (يحل محل غراند آم) في الخريف المقبل، مع المحرك المذكور لكن من دون التقنية الجديدة أولاً (سيضاف خيار السعة المتبدلة في العام المقبل)، مثل شقيقه شيفروليه ماليبوChevrolet Malibu الجديد أيضاً، علماً بأن الموديلين مبنيان على قاعدة إبسيلون Epsilon المتوسطة الكبيرة الحجم والمستغلة أيضاً في ساب Saab 9-3 وفي أوبل فيكترا Opel Vectra.

وحسب المبدأ ذاته، ينطلق المحرك دوماً بالأسطوانات الست العاملة بسعة 3.9 ليتر، قبل الإكتفاء كلما أمكن ذلك، بثلاث أسطوانات سعتها الشغالة 1.95 ليتر، علماً بأن المحرك المذكور مطور عن محرك الأسطوانات الست V6 المعروفة ايضاً بسعات 3.1 و3.4 أو 3.5 ليتر (تم توسيع القطر من 94 ملم في فئة الـ3.5 ليتر الى 99 ملم في فئة الـ3.9 ليتر المقبلة، وستعلن المواصفات المحددة قبيل إطلاق الموديل).

كيف يعمل نظام التبدل السعوي؟ ما هي أهدافه للمستهلك... وللمنتج؟ هل المبدأ جديد كلياً؟ أخيراً، ما هي نقاط قوته إزاء المحركات ذات البنى العصرية... وأين تتفوق الأخيرة عليه؟

كيف يعمل نظام التبدل السعوي؟

تتمثل تقنية السعات المتعددة أو السعة حسب الطلب، بمبدأ بسيط: عند القيادة بسرعة هادئة وثابتة، من دون حمولة كبيرة أو حاجة الى التجاوز، يتوقف الإحتراق في نصف أسطوانات المحرك لإستغلال النصف الآخر وحده. فعند قيادة كرايسلر 300 سي مثلاً بين سرعتَي 30 و130 كلم / ساعة، يتوقف عمل أربع من الأسطوانات الثماني، ليعمل المحرك عندها بأربع اسطوانات، أي بأسطوانتين شغّالتين في كل من شقي المحرك الذي يتحول، من الناحية الوظيفية، من محرك V8 سعتها 5.7 ليتر، الى محرك V4 سعة الأسطوانات الشغّالة فيه 2.85 ليتر.

لكن شيئاً واحداً لا يتغيّر، وهو أن هذه المحركات كلها تنطلق دوماً مع تشغيل الإحتراق في أسطواناتها كلها. فإن كانت الغاية الأساسية من هذه التقنية خفض إستهلاك الوقود، لا يمكن إسقاط الإعتبار الرئيسي الآخر، وهو أن زبون المحركات الكبيرة يشتريها لتلبيتها القوة أساساً. لذلك يركز تسويق جنرال موتورز وكرايسلر على أن هذه المحركات تمنح تلبيتها كاملة، أي مع إحراق الوقود في أسطواناتها كلها، إلا لدى القيادة على نحو لا يطلب فيه السائق أكثر من أحصنة قليلة من محركه. فعندها فقط يمكن الإستغناء عن عملية الإحتراق في نصف عدد الأسطوانات، من دون حرمان السائق من شيء، لأنه مستغنٍ عن القوة الإضافية اصلاً وهو يقود بسرعة 80 كلم/ ساعة مثلاً في خط مستقيم.

أما إذا دعت الحاجة الى تلبية مفاجئة، للتجاوز أو لأي سبب آخر، فستكفي 0.04 من الثانية الواحدة (أو أربعة أجزاء مئوية من الثانية الواحدة) للتحول من نمط الأداء بنصف عدد الأسطوانات، الى إحراق الوقود فيها كلها. بمعنى آخر، لا يشعر السائق عادة بعملية الإنتقال بين وجهَي الأداء الكامل أو بنصفه... إلا في محطة الوقود ربما، مع هبوط معدلات الإستهلاك، حسب تقديرات جنرال موتورز، بنحو ثماني في المئة عموماً، مع إمكان بلوغ التوفير نسبة 25 في المئة في بعض الظروف (تقدّر كرايسلر خفض الإستهلاك، مبدئياً، حتى نحو 20 في المئة في بعض الظروف، وحتى 10 في المئة عموماً).

لكن بمزيد من الدقة، لا تعمل تقنية السعة المتبدلة بنصف عدد أسطواناتها فعلاً... لأن مكابس الأسطوانات كلها ستبقى كلها متحركة، ما دام المحرك شغّالاً. ما يختلف هو توقف عملية البخ والإشعال عن الأسطوانات المنوي وقفها وظيفياً، فيخف إستهلاك الوقود، مع وقف حركة الصمامين بإغلاقهما فوق كل من الأسطوانات المعفاة من عملية الإحتراق موقتاً، تخفيفاً لتأثيرات عامل الشفط الطبيعي وغير الضروري عند نزول المبكس في كل من تلك الأسطوانات، فلا يستمر عامل الشفط إلا في الإسطوانات الشغّالة وظيفياً. وعند العودة الى نمط تشغيل الأسطوانات كلها، تعود الصمامات الى العمل الطبيعي مع عوامل الشفط (هواء ووقود) والتنفيس الطبيعية.

ويتحدد توقف نصف الصمامات والبخاخات حسب معلومات وحدة التحكم الإلكتروني، عن الضغط المفروض على المحرك، تبعاً لدرجة الضغط على دواسة الوقود وسرعة الدوران والحمولة ودرجة صعود الطريق أو هبوطها، ونسبة الأوكسيجين في الهواء حسب الإرتفاع عن سطح البحر، علماً بأن معايير نظامَي سحب الهواء الى المحرك، وعادم إخراج الغازات المحروقة، مضبوطة ايضاً لتعويض فارق النغمة بين نمطَي التشغيل بالأسطوانات كلها أو بنصفها.

وفي وصف جنرال موتورز لتقنيتها، يتم وقف نصف عدد الصمامات أو تشغيلها بواسطة وحدات إلكترو-هيدروليكية مركبة في الأصابع الغمازة lifter, tappet (راجع صورة القطعة المذكورة لكل من محركات جنرال موتورز وكرايسلر) الناقلة للحركة بين الكامات وبين الذراع المترجحة pushrod التي تشغل صمامات الأسطوانات المؤهلة للتشغيل والتوقف (الصمامات الأخرى تتضمن أصابع غمازة هيدروليكية عادية). فكل إصبح غماز مؤلف من قسمين متداخلين، مع مسمار داخلي متحرك.

لوقف عمل الصمام، يرتفع الضغط الهيدروليكي في الإصبع الغماز، فيترك المسمار الداخلي موقعه الأساسي ويصبح جزآه قابلين للتداخل، الواحد في الآخر، تحت وقع حدبة الكامة، فيمتص قسما الأصبع الغماز دفعات حدبة الكامة عوضاً عن إيصال حركة الدفع تلك الى الذراع المترجحة التي يفترض بها نقل الحركة بدورها لفتح الصمامات.

لإعادة تشغيل الصمامات، يهبط الضغط الهيدروليكي الواصل الى الأصابع الغمازة، فتعود المسامير الداخلية الى مواضعها ويتمدد قسما كل من الأصابع الغمازة، ما يمكنها من نقل الحركة (عوضاً عن إمتصاصها) الى الذراع المترجحة التي ستنقل الحركة بدورها الى الصمامات لتعمل من جديد.

أهداف نظام التبدل السعوي، للمستهلك والمنتج.

وهو ما يدفع جنرال موتورز الى الأمل بتسويق ما لا يقل من 150 ألف محرك مجهز بتقنية السعة المتبدلة في 2004، الى نحو 1.5 مليون محرك في العام 2007، ثم نحو مليونَي وحدة في العام 2008.

هل المبدأ جديد كلياً؟

وفي معزل عن كرايسلر وعن جنرال موتورز، لا بأس بالتذكير ايضاً بأن التقنية متوافرة ايضاً منذ أواخر العقد الماضي، ولو في صيغة مختلفة، لدى مرسيدس-بنز في محرك الأسطوانات الثماني V8 المتسعة لـ 4966 سنتم مكعبة في فئة إس كلاس S500 (قوته 299 حصاناً/ 5600 د.د. وعزم دورانه 460 نيوتون-متر/ 3000 د.د.)، بل لا بد من التذكير أيضاً بمحاولة كاديلاك تسويقها أولاً في مطلع الثمانينات، لكن من دون نجاح، بسبب تواضع قدرات وسائل التحكم الإلكترونية في صناعة السيارات آنذاك.

وفي المقارنة مع نظام الـ"سعة حسب الطلب" الذي أطلقته كاديلاك في العام 1981 في محرك عرف آنذاك بتسمية 4-6-8 (نظراً الى قدرة تشغيله أربع أو ست أو ثمان من أسطواناته الثماني، لكنه لم ينجح لإفتقاده المقومات الإلكترونية التي بلغتها صناعة السيارات اليوم)، يخضع اليوم نظام الإدارة الإلكترونية لوظائف المحرك، لكومبيوتر يعمل بـ32 بت 32-bit(مقارناً بـ8 بت في 1981) مع معالج اسرع من السابق بنحو 50 مرة، وذاكرة أكبر بمئة مرة، مع إتصال إلكتروني بين دواسة الوقود والمحرك (عوضاً عن السلك التقليدي آنذاك) وعلبة تروس إلكترونية الضبط (عوضاً عن الضبط الهيدروليكي-الميكانيكي سابقاً) لإبطاء نمط الإشعال عند الغيار وغيرها.

لكن، مع أن تقنية الـ"سعة حسب الطلب" ستتوافر أولاً مع محركات الأسطوانات الثماني V8 أو الست V6 المجهّزة صمامين إثنين لكل أسطوانة، تشير جنرال موتورز الى درس كيفية إستغلالها أيضاً مع محركات أخرى بأربع أسطوانات، مع الإعتراف بتطلّب المحركات المتعددة الصمامات، ترتيباً مختلفاً لحشر وحدات التشغيل الهيدرو-كهربائية الإضافية في أعلى المحرك المزدحم أصلاً بأربعة صمامات فوق كل أسطوانة، مع البخاخات وشمعات الإشعال وملفات الحث الخاصة بكل شمعة في المحركات العصرية، إضافة الى عمود كامات علوي أو إثنين. وهو ما جعل تقنية مرسيدس-بنز أكثر كلفة لتطبيقها في إس 500 ذات أعمدة الكامات العلوية مع ثلاثة صمامات وشمعتَي إشعال لكل من الأسطوانات الثماني.

نقاط قوة محركات التبدل السعوي... وأين تتفوق عليها المحركات ذات البنى العصرية؟

يمكن وصف التقنية الجديدة كوسيلة فاعلة لتمكين المحركات التقليدية الضخمة، من تحصيل قسم من فوائد المحركات العصرية في جوانب خفض معدلات الإستهلاك، مع شدة التلبية عندما تدعو إليها الحاجة، وخصوصاً، مع كلفة وتسعير مغريين... لكن من دون تحصيل النسب العالية من الأحصنة الممكن إستخراجها من كل ألف سنتم مكعب في المحركات ذات الصمامات الثلاثة أو الأربعة فوق كل من الأسطوانات.

ومعلوم أن نسبة إستخراج الأحصنة (من كل ألف سنتم مكعب) تزداد مع تعدد الصمامات، إذ تزداد إمكانات تلبية تزايد حاجات المحرك الى الهواء والوقود في مجالات السرعة العالية (بصمامين لسحب الهواء/ الوقود عوضاً عن صمام واحد).

وعلى سبيل المثال، يستخرج محرك هيمي V8 المستغل في كرايسلر 300 سي، 60 حصاناً من كل ألف سنتم مكعب، في حين يستخرج محرك جاغوار إس تايب Jaguar S Type في فئة 4.2 ليتر بثماني أسطوانات V8 ايضاً، لكن بعمودَي كامات علويين فوق كل من صفّي الأسطوانات، مع 32 صماماً، ما لا يقل عن 298 حصاناً عند 6800 د.د.، (مقارنة ببلوغ محرك هيمي أعلى مستويات قوته عند 5000 د.د)، بما يعطي معدل 71 حصاناً من كل ألف سنتم مكعب في محرك موديل الماركة الإنكليزية، بينما يعطي محرك شقيقه لينكولن إل إس Lincoln LS في فئة الـ3.9 ليتر، من 8 أسطوانات V8 أيضاً مع أربعة أعمدة كامات و32 صماماً، 284 حصاناً/6000 د.د.، بمعدل 72.2 حصان في الألف سنتم مكعب. أيضاً، يستخرج محرك كاديلاك نورث ستار NorthStar في كاديلاك إس آر إكس Cadillac SRX الجديدة وشقيقتها إس تي إس 2005 STS المقبلة في الخريف، 320 حصاناً عند 6400 د.د. من 4565 سنتم مكعب، بما يوازي 70.1 حصان من كل ألف سنتم مكعب، هذا من دون التحدث عن هبوط معدلات الإستهلاك عموماً في المحركات العصرية أساساً.

ولا بد من الإشارة ايضاً الى أن نمو نسب القوة (قياساً بالسعة) في المحركات ذات البنى العصرية، لا يأتي على حساب نسب عزم الدوران التي تنمو بدورها على نحو مشابه. فعلى سبيل المثال، يبلغ أقصى عزم دوران محرك كرايسلر هيمي في موديل 300 سي ذاته، 529 نيوتون-متر/ 4000 د.د.، بنسبة 93.5 ن-متر/ ألف سنتم مكعب، مقارنة بعزم فئة محرك كاديلاك نورث ستارالبالغ أقصاه 427 نيوتون-متر عند 4400 د.د.، أي بمعدل 93.5 نيوتون-متر من كل ألف سنتم مكعّب، ومحرك إس تايب 4.2 ليتر 411 نيوتون-متر/ 4100 د.د. بما لا يقل عن 98 نيوتون-متر من كل ألف سنتم مكعب، وأخيراً محرك لينكولن إل إس 3.9 ليتر388 نيوتون-متر/ 4000 د.د. بمعدل 98.6 نيوتون-متر من كل الف سنتم مكعب.

ومنذ الإعلان عن نظامها الجديد قبل ثلاثة أعوام، أشارت جنرال موتورز الى تعاونها مع شركة إيتون كوربورايشن الأميركية Eaton Corporationالتي تنتج لها وحدات التشغيل الإلكترو-هيدروليكية، بينما ?عتمد كرايسلر وحدة أخرى ذكر تقرير جمعية مهندسي السيارات الأميركية SAE, Society of Automotive Engineers في نشرته الصادرة في شهر نيسان (ابريل) الماضي، عودة إنتاجها الى شركة ساترن إلكترونيكس Saturn Electronics الأميركية.

ولا بد من التذكير اخيراً بأن تقنية التبديل السعوي تشكل أحد حلول خفض معدلات الإستهلاك والتلويث في الأمد المنظور، خصوصاً في الموديلات المتوسطة والكبيرة الحجم (سيدان أو شاحنات ترفيهية رياضية أو بيك آب وغيرها)، ضمن إطار أكثر شمولية عند أخذ تقنيات المحركات الهجينة Hybrid vehicles في الحسبان (بنزينية – كهربائية أو ديزل – كهرباء)، والتي سيبدأ إستغلالها أيضاً لدى جنرال موتورز في السيارات الترفيهية الرياضية والبيك آبات الكبيرة الحجم، في الطريق الى الهدف الأبعد والرامي الى ترويج السيارات العاملة بخلايا الوقود fuel cells بعد خفض كلفة إنتاجها والتقدم في تطوير شبكة توزيع الهيدروجين إبتداء من العقد الحالي.