في قلب كل محرك احتراق يوجد عمود الكامات، مكوّنٌ دوره حاسم ولكنّه غالبًا ما يُقلّل من شأنه. ومن الضروري إدراك أنّ هذه القطعة من العبقرية الهندسية تؤثّر مباشرة في أداء المحرك وكفاءته.
تتمثّل الوظيفة الرئيسية لعمود الكامات في تنظيم فتح وإغلاق صمامات السحب والعادم في المحرك. ويفعل ذلك عبر رقصة متزامنة من الدوران والتوقيت. فأثناء دوران عمود الكامات، يتفاعل كل بروز —نتوء مصمَّم بعناية فائقة— مع الروافع أو أذرعة الدفع للتحكّم بدقّة في اللحظة والمدة التي يبقى فيها الصمام مفتوحًا. وهذا الإجراء المنسجم يضمن دخول الوقود إلى غرفة الاحتراق وخروج الغازات في اللحظات المثلى، مما يؤثّر مباشرة في قدرة المحرك واستهلاكه للوقود.
لا يمكن التقليل من دور عمود الكامات في محرك الاحتراق. فبتحديده توقيت فتح الصمامات، يؤدّي دورًا أساسيًا في عملية تنفّس المحرك. وإنّ كفاءة هذه العملية هي ما يتيح للمركبة أن تنساب بلا عناء على الطريق أو أن تئدَر بقوّة.
إنّ الابتكار الكامن وراء تصميم كل بروز، والدقّة التي يدور بها عمود الكامات، يُبرزان مدى تعقيد هندسة السيارات الحديثة. وتعمل هذه المكوّنات بلا كلل ودون أن يُرى لها وجود، ولكنّها أساسية لقدرة المحرك على استغلال طاقة الوقود.
والآن وقد فهمتَ وظيفة عمود الكامات، من المهمّ معرفة كيف يعمل. لنبدأ بالأساسيات.
أساسيات عمود الكامات
إنّ القطع الأساسية في أي عمود كامات هي البروزات. فأثناء دوران عمود الكامات، تفتح البروزات صمامات السحب والعادم وتغلقها بإيقاع حركة المكبس. واتّضح أنّ هناك علاقة مباشرة بين شكل البروزات وسلوك المحرك في مختلف نطاقات السرعة.
ولفهم سبب حدوث ذلك، تخيّل أنّنا شغّلنا محركًا ببطء شديد —بسرعة 10 أو 20 دورة في الدقيقة (RPM) فقط— بحيث يستغرق المكبس بضع ثوانٍ لإتمام دورة واحدة. ومن الناحية العملية سيكون من المستحيل تشغيل محرك عادي بهذه السرعة، ولكن لنتخيّل أنّنا نستطيع ذلك. عند هذه السرعة البطيئة، نرغب في بروزات ذات شكل بحيث:
- حالما يبدأ المكبس بالحركة للأسفل في شوط السحب (ما يُسمّى النقطة الميتة العليا، PMS)، ينفتح صمام السحب. ويُغلق صمام السحب تمامًا عند وصول المكبس إلى النقطة السفلية.
- ينفتح صمام العادم تمامًا عند وصول المكبس إلى النقطة السفلية (ما يُسمّى النقطة الميتة السفلى، PMI) في نهاية شوط الاحتراق، ويُغلق عند إتمام المكبس لشوط العادم.
هذا التصميم سيعمل بشكل جيد جدًا للمحرك ما دام يدور بهذه السرعة البطيئة جدًا. ولكن ماذا يحدث إذا زدنا عدد الدورات؟ لنتّضح ذلك.
عند زيادة عدد الدورات، فإنّ تصميم عمود الكامات المصمَّم لسرعة 10 إلى 20 دورة في الدقيقة لا يعمل بشكل جيد. فإذا دار المحرك بسرعة 4000 دورة في الدقيقة، تنفتح الصمامات وتُغلق 2000 مرّة في الدقيقة، أو 33 مرّة في الثانية. وعند هذه السرعات، يتحرّك المكبس بسرعة كبيرة، ولذلك فإنّ خليط الهواء والوقود الداخل إلى الأسطوانة يتحرّك هو الآخر بسرعة كبيرة.
عندما ينفتح صمام السحب ويبدأ المكبس شوط السحب، يبدأ خليط الهواء والوقود في قناة السحب بالتسارع نحو الأسطوانة. وعندما يصل المكبس إلى نهاية شوط سحبه، يكون الخليط يتحرّك بسرعة كبيرة. فلو أغلقنا صمام السحب فجأة، لتوقّف كلّ ذلك الخليط ولما دخل الأسطوانة. أما بترك صمام السحب مفتوحًا لفترة أطول قليلًا، فإنّ زخم الخليط المتحرّك يستمرّ في دفع الهواء والوقود نحو الأسطوانة بينما يبدأ المكبس شوط الانضغاط. وهكذا، كلما زادت سرعة المحرك، تسارع الخليط أكثر وأردنا أن يبقى صمام السحب مفتوحًا مدّة أطول. كما نرغب في أن ينفتح الصمام أكثر عند السرعات العالية؛ وهذا المعامل، المسمّى رفع الصمام، يحدّده ملف البروز.
تُظهر الرسوم المتحرّكة السابقة كيف أنّ عمود الكامات العادي وآخر الخاص بالأداء يمتلكان توقيتًا مختلفًا للصمامات. ولاحظْ أنّ دورات العادم (الدائرة الحمراء) والسحب (الدائرة الزرقاء) تتداخل بشكل أكبر بكثير في عمود كامات الأداء. وبسبب هذا، فإنّ السيارات ذات هذا النوع من الكامات تميل إلى العمل بشكل غير منتظم عند الخمول.
إنّ أي عمود كامات يكون مثاليًا عند سرعة محرك واحدة فقط. وعند أي سرعة أخرى، لا يقدّم المحرك أقصى إمكاناته. ولذلك فإنّ عمود الكامات الثابت يمثّل دائمًا حلاً وسطًا. ومن هنا طوّر المصنّعون أنظمةً لتغيير ملف الكامة كلّما تغيّرت سرعة المحرك.
توجد تصاميم مختلفة عدّة لأعمدة الكامات في المحركات. وسنتحدّث عن بعضٍ من أكثرها شيوعًا. وغالبًا قد سمعتَ بهذه المصطلحات:
- عمود كامات علوي واحد (SOHC)
- عمودا كامات علويان (DOHC)
- أذرعة الدفع
في القسم التالي، سنستعرض كلاً من هذه التصاميم.
