محرك أحادي الكتلة

يشير مصطلح "مونوبلوك" إلى مكون مصنوع كوحدة واحدة. ^{[ 2 ]} محرك المونوبلوك ، أو محرك الكتلة الواحدة، هو محرك احتراق داخلي يعمل بالمكابس ، حيث تُصنع بعض مكوناته الرئيسية (مثل رأس الأسطوانة ، وكتلة الأسطوانات ، وعلبة المرافق ) عادةً بالصب كوحدة متكاملة، بدلاً من تجميعها لاحقاً. يُحسّن هذا التصميم من الصلابة الميكانيكية، ويعزز موثوقية منع التسرب بين المكونات.

تعود تقنيات الكتلة الواحدة إلى بدايات محركات الاحتراق الداخلي . وقد تغير استخدام هذا المصطلح بمرور الوقت، عادةً لمعالجة المشكلة الميكانيكية الأكثر إلحاحًا التي كانت تواجه محركات ذلك العصر. وقد استُخدمت هذه التقنية في ثلاثة استخدامات متميزة:

• رأس الأسطوانة والأسطوانة
• كتلة الأسطوانات
• كتلة الأسطوانات وعلبة المرافق

في معظم الحالات، يُستخدم مصطلح "الوحدة الأحادية" لوصف تصميم أحادي الوحدة، وهو ما يُخالف الممارسة الشائعة في الوقت الحاضر. وعندما أصبحت تقنية "الوحدة الأحادية" هي المعيار، فقد المصطلح تحديدًا شعبيته. ويُعدّ استخدام أسطوانات وعلب مرافق أحادية الكتلة ممارسة شائعة الآن، لكن رأس المحرك أحادي الكتلة (للمحركات الخطية المبردة بالماء على الأقل) يُعتبر غريبًا وقديمًا.

تُعدّ حشية رأس الأسطوانة أكثر أجزاء المحرك عرضةً للإجهاد الساكن، وكانت مصدرًا لمشاكل كبيرة في السنوات الأولى. أما رأس الأسطوانة أحادي الكتلة، فيجمع بين الأسطوانة والرأس كوحدة واحدة، مما يُغني عن الحاجة إلى حشية إضافية.

إلى جانب تلف حشية رأس الأسطوانة، كان صمام العادم من أقل أجزاء محركات البنزين القديمة موثوقية، إذ كان عرضةً للتلف بسبب ارتفاع درجة حرارته. يوفر رأس الأسطوانة الموحد تبريدًا مائيًا جيدًا، مما يقلل من تآكل الصمام، حيث يمتد غلاف التبريد المائي بشكل متواصل حول كل من رأس الأسطوانة والأسطوانة. أما المحركات المزودة بحشيات، فكانت تتطلب سطح تلامس معدني مباشر، مما يعيق تدفق الماء.

من عيوب رأس الأسطوانة أحادي الكتلة صعوبة الوصول إلى داخل غرفة الاحتراق (الجزء العلوي من الأسطوانة). ويُصبح الوصول عبر تجويف الأسطوانة محدودًا لتصنيع مقاعد الصمامات، أو لتركيب صمامات بزاوية. بل إنّ إزالة الكربون وإعادة طحن مقاعد الصمامات، وهي مهمة روتينية في المحركات القديمة، تُشكّل عائقًا أكبر. فبدلًا من إزالة رأس الأسطوانة من الأعلى، يجب على الميكانيكي إزالة المكابس وأذرع التوصيل وعمود المرفق من الأسفل. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

كان أحد حلول هذه المشكلة لمحركات الصمامات الجانبية هو وضع سدادة ملولبة فوق كل صمام مباشرةً، والوصول إلى الصمامات من خلالها (كما هو موضح). وفرت الخيوط المخروطية للسدادة إحكامًا موثوقًا. بالنسبة للمحركات منخفضة القدرة، كان هذا حلاً شائعًا لسنوات، لكن كان من الصعب تبريد هذه السدادة، لأن غلاف الماء لم يكن يمتد داخلها. مع تحسن الأداء، أصبح من المهم أيضًا تصميم غرف احتراق أفضل مع تقليل "المساحة الميتة". كان أحد الحلول هو وضع شمعة الإشعال في مركز هذه السدادة، مما أدى على الأقل إلى استغلال المساحة. أدى ذلك إلى وضع شمعة الإشعال بعيدًا عن غرفة الاحتراق، مما أدى إلى مسارات لهب طويلة واشتعال أبطأ.

خلال الحرب العالمية الأولى ، شهد تطوير محرك الاحتراق الداخلي تقدماً كبيراً. بعد الحرب، ومع استئناف إنتاج السيارات المدنية، قلّ استخدام رأس الأسطوانة أحادي الكتلة. واقتصر استخدامه على السيارات عالية الأداء مثل سيارة ليلاند إيت لعام 1920. ^{[ 6 ]} وكانت بنتلي وبوغاتي ^{[ 4 ] [ 7 ]} من بين العلامات التجارية الأخرى المتخصصة في سباقات السيارات التي التزمت به بشكل ملحوظ، خلال عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين، واشتهر استخدامه في محركات أوفنهاوزر الأمريكية ذات الأربع أسطوانات المستقيمة المصممة خصيصاً للسباقات، والتي صُممت وبُنيت لأول مرة في ثلاثينيات القرن العشرين.

بدأت محركات الطائرات في ذلك الوقت باستخدام ضغوط شحن فائقة عالية ، مما زاد من الضغط على حشيات رأس الأسطوانة. وقد استخدمت محركات مثل رولز رويس بازرد رؤوس أسطوانات أحادية الكتلة لضمان الموثوقية. ^{[ 8 ]}

كانت محركات الطائرات الشعاعية الكبيرة المبردة بالهواء ، مثل محرك واسب ميجور ، آخر المحركات التي استخدمت رؤوس الأسطوانات أحادية الكتلة على نطاق واسع. تتميز هذه المحركات بأسطوانات منفصلة، ​​مما يجعل الوصول إليها أسهل مقارنةً بالمحركات الخطية ذات علبة المرافق والأسطوانات أحادية الكتلة، كما هو الحال في معظم المحركات الحديثة. ونظرًا لقدرتها النوعية العالية وحاجتها إلى موثوقية فائقة، ظلت مزايا رؤوس الأسطوانات أحادية الكتلة جذابة.

لا تزال محركات الطيران العام ، مثل فرانكلين وكونتيننتال وليكومينغ ، تُصنّع جديدة ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} ، وتستمر في استخدام أسطوانات أحادية الكتلة، مع أن فرانكلين تستخدم غلافًا قابلًا للإزالة. وتُستخدم في تصنيعها مزيج من المواد، مثل الفولاذ لهياكل الأسطوانات وسبائك الألومنيوم لرؤوس الأسطوانات لتخفيف الوزن. وتشمل تقنيات إعادة البناء الشائعة طلاء الجزء الداخلي من هياكل الأسطوانات بالكروم بلمسة نهائية "متشققة" تُحاكي اللمسة النهائية " المتقاطعة " التي تُنتج عادةً عن عملية صقل الأسطوانات التقليدية. وقد تتطلب المحركات القديمة التي تعمل بالبنزين الخالي من الرصاص، وفقًا لشهادات النوع التكميلية المعتمدة من إدارة الطيران الفيدرالية ، استبدالًا متكررًا للصمامات ومقاعدها. وتُستخدم أدوات خاصة للحفاظ على مقاعد الصمامات في هذه الأسطوانات. ^{[ 12 ]} وينبغي إجراء اختبارات غير مُتلفة للكشف عن العيوب التي قد تكون نشأت أثناء الاستخدام المُفرط، أو تلف المحرك الناتج عن توقف مفاجئ للمروحة، أو تشغيل المحرك لفترات طويلة، وذلك عند كل عملية إصلاح أو إعادة بناء. ^{[ 13 ]}

لطالما شكلت صعوبات تصنيع وصيانة رأس الأسطوانة أحادي الكتلة عائقًا كبيرًا، ولا تزال كذلك. ومع تطور حشيات رأس الأسطوانة لتتحمل درجات حرارة وضغوطًا أعلى، تراجعت شعبية هذه التقنية. تكاد تكون هذه التقنية غير معروفة اليوم، إلا أنها وجدت استخدامات محدودة، حيث اعتمدتها شركة سايتو سيسكوشو اليابانية، المتخصصة في تصنيع محركات الطائرات النموذجية، في محركاتها رباعية الأشواط التي تعمل بالوقود المتوهج والإشعال الشراري، والمخصصة لدفع طائرات التحكم عن بعد .

لا تزال الأسطوانات أحادية الكتلة تُستخدم أيضًا في محركات الدورة الثنائية الصغيرة لتشغيل المعدات المستخدمة في صيانة الحدائق والمروج، مثل جزازات العشب، وآلات الحراثة، وآلات نفخ الأوراق. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

كانت تقنية الصب في بدايات محركات الاحتراق الداخلي قادرة على صب قطع كبيرة الحجم، أو قطع ذات تجاويف داخلية معقدة تسمح بتركيب قنوات التبريد المائي، ولكن ليس كليهما في آن واحد. معظم المحركات المبكرة، وخاصة تلك التي تحتوي على أكثر من أربع أسطوانات، كانت أسطواناتها تُصب على شكل أزواج أو ثلاثيات، ثم تُثبت بمسامير على علبة مرافق واحدة.

مع تحسن تقنيات الصب، أصبح بالإمكان صب كتلة الأسطوانات كاملةً، سواءً كانت أربع أو ست أو حتى ثماني أسطوانات، كوحدة واحدة. كان هذا التصميم أبسط، وبالتالي أقل تكلفة في التصنيع، ^{[ 16 ]} كما سمح غلاف التبريد المائي المشترك بتقريب المسافة بين الأسطوانات. وقد حسّن هذا أيضًا من الصلابة الميكانيكية للمحرك، ضد الانحناء والالتواء المتزايد الأهمية، مع ازدياد عدد الأسطوانات وأطوال المحرك. ^{[ 17 ]} في سياق محركات الطائرات، كان النموذج الأولي غير المتجانس للأسطوانات المتجانسة عبارة عن تصميم تُصب فيه الأسطوانات (أو على الأقل بطاناتها) بشكل منفصل، ثم يُضاف غلاف التبريد المائي الخارجي لاحقًا من صفائح النحاس أو الفولاذ. ^{[ 18 ]} كان هذا التصميم المعقد مكلفًا، ولكنه خفيف الوزن، ولذلك اقتصر استخدامه على الطائرات فقط.

ظلت محركات V تستخدم قالبًا منفصلاً لكل مجموعة أسطوانات . كانت قنوات السحب المعقدة اللازمة لمشعبات السحب بين المجموعات معقدة للغاية بحيث لا يمكن صبها بطريقة أخرى. ولتوفير التكاليف، صُممت بعض المحركات، مثل محرك V12 من بيرس-أرو ، لاستخدام قوالب متطابقة لكل مجموعة أسطوانات، يمينًا ويسارًا. ^{[ 19 ]} بينما استخدمت بعض المحركات النادرة، مثل محرك لانشيا V12 ذي الزاوية الضيقة 22.5 درجة من عام 1919، قالبًا واحدًا لكلا المجموعتين. ^{[ 20 ]}

استُخدم محرك أحادي الكتلة بسعة 5.3 لتر (322 بوصة مكعبة) في سلسلة 60 لعام 1936. صُمم هذا المحرك ليكون الجيل التالي من محركات الشركة بتكلفة أقل من محركي 353 و Cadillac V16 . صُنعت أسطوانات المحرك وعلبة المرافق كوحدة واحدة، ^{[ 21 ]} واستُخدمت رافعات صمامات هيدروليكية لضمان المتانة. سمح هذا التصميم بإنتاج سلسلة 60 متوسطة السعر.   

تُصنع الأسطوانات الحديثة، باستثناء المحركات المبردة بالهواء وبعض محركات V ، بشكل عام ككتلة أسطوانة واحدة، وتكون رؤوس الأسطوانات الحديثة دائمًا تقريبًا مكونات منفصلة.

مع تحسن تقنيات الصب وتحول كتل الأسطوانات إلى وحدة متكاملة، أصبح من الممكن أيضاً صب الأسطوانات وعلبة المرافق كوحدة واحدة. وكان السبب الرئيسي لذلك هو تحسين صلابة هيكل المحرك، مما يقلل الاهتزازات ويسمح بسرعات أعلى.

معظم المحركات، باستثناء بعض محركات V، أصبحت الآن عبارة عن كتلة واحدة من علبة المرافق وكتلة الأسطوانات.

تستخدم محركات هوندا GC الصغيرة المخصصة للاستخدامات الخفيفة تصميمًا أحادي الكتلة بدون رأس، حيث يشترك رأس الأسطوانة وكتلة المحرك ونصف علبة المرافق في نفس القالب، وهو ما تسميه هوندا "أحادي الكتلة". ^{[ 22 ]} أحد أسباب هذا التصميم، إلى جانب التكلفة، هو تقليل الارتفاع الإجمالي للمحرك. وبفضل تصميمه المبرد بالهواء ذي عمود الكامات العلوي ، أصبح هذا ممكنًا بفضل تقنيات صب الألومنيوم الحالية وعدم وجود فراغات معقدة للتبريد السائل. الصمامات عمودية، مما يسمح بالتجميع في هذه المساحة الضيقة. من ناحية أخرى، تصبح عمليات الصيانة الأساسية تستغرق وقتًا طويلاً لدرجة أن المحرك يُعتبر غير قابل للاستخدام. أما محركات هوندا GX التجارية (والعديد من نظائرها الشائعة ) فتتميز بتصميم أكثر تقليدية يتكون من علبة مرافق واحدة وقالب أسطوانة واحد، مع رأس أسطوانة منفصل.

تُنتج هوندا العديد من وحدات رأس الأسطوانة وكتلة المحرك وعلبة المرافق أحادية الكتلة تحت أسماء مختلفة، مثل سلسلة GXV. ويمكن تمييزها جميعًا خارجيًا من خلال حشية تقسم علبة المرافق بزاوية 45 درجة تقريبًا.