تایمینگ متغیر سوپاپ

اکثر علاقمندان به اتومبیل و صنایع خودروسازی با واژه VVT-i که روی بدنه انواع تویوتا های جدید، سیستم Vanos موتورهای ب ام و و سیستم V-Tec هوندا تا حدودی آشنا هستند و بعضا جویای مفهوم آن شده اند. این واژه ها هر یک معرف سیستم تایمینگ یا زمانبندی متغیر باز و بسته شدن سوپاپها در موتورهای ساخت کارخانه های مربوطه می باشند . هدف از ارائه چنین سیستمهائی افزایش بازده موتور در تمام شرائط کارکرد آن اعم از دور موتور مختلف و شرائط محیطی متفاوت می باشد. در موتورهای قدیمی تر متخصصین با در نظر گرفتن شرائطی که موتور برای آن در نظر گرفته شده میل سوپاپ با تایمینگ مناسب را برای آن انتخاب نموده اند که البته این امر دارای محدودیتهای زیادی است ، بعنوان مثال میل سوپاپ اصطلاحا درجه بالا برای مسابقات و افزایش بازده در دور بالا بسیار مناسب بوده که این افزایش قدرت در دور بالا به قیمت کاهش چشمگیر گشتاور و قدرت در دورهای میانی و پائین موتور می شود و عملا موتور را در دورهای پائین ( مثلا در شهر) غیر قابل استفاده می نماید .
طول مدت زمان و لحظه ای که در آن سوپاپهای ورودی و تخلیه باز و بسته میشوند ، تنها در دور موتور خاص و مشخصی حداکثر بازده را ایجاد میکند و هر چه دور موتور تغییر بیشتری نماید ، بازده موتور کاهش پیدا میکند ، به همین دلیل مهندسن سیستمی را در موتورهای جدیدتر ابداع کرد ه اند که تایمینگ یا زمانبندی با توجه به دور موتور تغییر پیدا می نماید . قبلا از بررسی این سیستم ابتدا اشاره ای خواهیم داشت به طرز کار موتور چهار زمانه .
هنگامی که پیستون در وضعیت TDC ( نقطه مرگ بالا یعنی بالاترین نقطه در داخل سیلندر ) قرار دارد ، سوپاپهای ورودی در حالی که پیستون به سمت پائین در حرکت است باز میشوند ، در این هنگام با آغاز پائین رفتن مخلوط هوا و سوخت به داخل سیلندر مکیده میشوند که به این مرحله مکش گفته میشود .
هنگامی که پیستون به پائین ترین نقطه ممکنه در داخل سیلندر میرسد ، سوپاپهای ورودی بسته شده و مخلوط هوا و سوخت در داخل سیلندر محبوس می گردد . در مرحله بعد پیستون به سمت بالا حرکت کرده و به تدریج مخلوط سوخت و هوا را فشرده میسازد که به این مرحله تراکم (Compression) گفته میشود . شمع هنگامی که پیستون مجددا به بالاترین نقطه ممکن میرسد ( یا نزدیک به آن میشود ) جرقه می زند . انفجار کنترل شده حاصله ، پیستون را با نیروی زیادی به پائین رانده و نیروی مکانیکی تولید مینماید که به آن مرحله تولید نیرو با قدرت گفته میشود . بعد از رسیدن پیستون به پائین ترین نقطه ممکن ، سوپاپ اگزوز باز شده و بر اثر بالا آمدن مجدد پیستون ، گازهای حاصل از احتراق تخلیه میگردند که به این مرحله تخلیه گفته میشود . در طی این مراحل که در تمام موتورهای چهار زمانه بنزینی مشترک است ، زمان باز و بسته شدن سوپاپها اهمیت زیادی داشته و در استفاده بهینه از سوخت و ایجاد حداکثر بازده موثر است . در این مقاله سعی شده عوامل موثر بر تعیین و تنظیم تایمینگ سوپاپها هر چند بطور اجمالی مورد بررسی قرار گیرد .
● بسته شدن سوپاپ ورودی :
سوپاپ ورودی معمولا چند درجه ( منظور از چند درجه ، مقدار زاویه دوران میل لنگ است ) بعد از پائین ترین وضعیت ممکنه پیستون در داخل سیلندر و در حالی که پیستون برگشت به سمت بالا را در داخل سیلندر آغاز نموده ، بسته میشود ،چرا ؟
به نظر میرسد اگر سوپاپ ورودی در حالی که پیستون به سمت بالا در حال حرکت است باز بماند مقدار زیادی از مخلوط هوا و سوخت از مسیر ورود به بیرون رانده شود ، ولی در عمل چنین اتفاقی رخ نمی دهد ، زیرا با توجه به سرعت بسیار زیاد ورود مخلوط به سیلندر ( حدود ۸۰۰ کیلومتر در ساعت ) ، مخلوط انرژی جنبشی پیدا کرده و بعد از رسیدن پیستون به پائینترین وضعیت در داخل سیلندر جریان آن ادامه پیدا کرده و حتی اندکی پس از شروع مرحله بالا رفتن پیستون جریان ادامه دارد . این مرحله تا ابد ادامه پیدا نمیکند و پیستون بالا رونده در مقطعی خاص و در صورتی که سوپاپ ورودی باز باشد به انرژی جنبشی مخلوط غلبه کرده و آنرا به داخل مسیر ورودی سیلندر پس میزند .
پس ، بهترین وضعیت پر شدن یا اشباع سیلندر هنگامی صورت میگیرد که بسته شدن پیستون تا لحظات اولیه پس زدن مخلوط به تعویق افتد ، یعنی ضمن بهره گیری از حداکثر ( انرژی جنبشی ) مخلوط ، از هدر رفتن آن جلوگیری شود و سیلندر تا حد اکثر ممکن از مخلوط پر شود .
● باز شدن سوپاپ اگزوز :
اگر سوپاپ ورودی بعد از رسیدن پیستون به پائین ترین وضعیت ممکنه (TDC) در داخل سیلندر بسته نشده باشد و یا سوپاپ اگزوز که قبلا راجع به آن گفتیم در هنگام رسیدن پیستون به پائین ترین وضعیت ممکن باز شود چه اتفاقی خواهد افتاد ؟ اگر معتقدید که چنین اتفاقی ممکن نیست ، درست حدس زده اید . در واقع سوپاپ اگزوز قبل از رسیدن پیستون به پائین ترین وضعیت ممکن ، باز میشود . پیستون در مرحله تولید نیرو تحت تاثیر گازهای گرم به پائین رانده شده و نیروی تولید شده خودرو را به جلو می راند . با این تفاسیر چرا بعضا طراحان و مهندسین سعی دارند تا سوپاپ اگزوز کمی زودتر باز شده و مقداری از فشار داخل سیلندر کم شود؟
برای درک بهتر دلیل باز شدن سوپاپ اگزوز کمی قبل از رسیدن پیستون به پائین ترین وضعیت ممکن ، باید اشاره ای به مرحله بعدی که مرحله تخلیه سیلندر است داشته باشیم، تخلیه گازهای خروجی از طریق سوپاپ اگزوز ، در هنگام بالا آمدن پیستون نیازمند نیرو میباشد ، که این نیرو توسط میل لنگ وارد میگردد ، اگر سوپاپ اگزوز هنگامی که هنوز مقداری فشار حاصل از احتراق در سیلندر باقی مانده باز شود ، باعث می گردد که مقداری از گازهای حاصل از احتراق تحت تاثیر این فشار قبل از حرکت پیستون به بالا از سیلندر خارج شوند . با کاهش مقدار گازها ، نیروی مورد نیاز برای تخلیه سیلندر کم شده و نتیجتا بازده موتور افزایش پیدا می کند
● Overlap یا باز بودن همزمان سوپاپها:
پیستون در مسیر خود به سمت بالاترین وضعیت ممکن الباقی گازهای حاصل از احتراق را به بیرون می راند . جریان گازهای خروجی نیز مثل جریان هوای ورودی دارای انرژی جنبشی است یعنی اینکه حتی بعد از رسیدن پیستون به بالاترین وضعیت ممکن و شروع مرحله پائین آمدن پیستون جریان گاز خروجی ادامه دارد ، بدین ترتیب میتوان بسته شدن سوپاپ را تا بعد از رسیدن پیستون به بالاترین وضعیت ممکن به تعویق انداخت .
لازم بیادآوری است که هدف مکش بیشترین حجم مخلوط هوا و سوخت میباشد زیرا نیروی موتورهای درون سوز از احتراق مخلوط سوخت و هوا در داخل سیلندر ایجاد میگردد . بهترین مکش هنگامی صورت میگیرد که سوپاپ ورودی قبل از رسیدن پیستون به بالاترین وضعیت ممکن باز شود . در این لحظه سوپاپهای ورودی و سوپاپهای اگزوز به طور همزمان باز میباشند که این مرحله را Overlap یا مدت زمان باز بودن همزمان سوپاپهای ورودی و خروجی می نامند .
در اینجا این سؤال مطرح میشود که چرا گازهای خروجی که توسط پیستون به بیرون رانده میشوند ، وارد منیفولد ورودی نمیگردند ، جواب این است که طراحی مناسب منیفولد اگزوز و فشار نسبی کمتر داخل آن باعث میشوند که گازهای خروجی تحت تاثیر فشار کم منیفولد خروجی ( اگزوز ) افزایش سرعت پیدا کرده و از سیلندر خارج گردند ، انرژی جنبشی گازهای خروجی نیز بنوبه خود باعث کاهش فشار داخل سیلندر و مکش بیشتر مخلوط هوا و سوخت به داخل آن میگردند .
لحظه بسته شدن سوپاپ ورودی مهمترین نکته در تایمینگ میل سوپاپ است ، هر چند که تمام مراحل آن از اهمیت به سزائی برخوردارند . به عنوان مثال تایمینگ صحیح باز شدن سوپاپ خروجی در واقع نقطه تعادلی از کاهش مقدار کمی از نیروی تولید شده در مرحله تولید نیرو و کاهش مقداری از بار گازهای خروجی در مرحله تخلیه است ، طول مدت Overlap نیز شدیدا در دور موتور تاثیر گذار است . در موتورهائی که مجهز به سیستم تایمینگ سوپاپ معمولی هستند ، رابطه بین تایمینگ سوپاپها ثابت است . در موتورهائی که دارای یک میل سوپاپ هستند این مسئله به شکل بادامکهای روی میل سوپاپ بستگی داشته و در موتورهای مجهز به دو میل سوپاپ به زاویه میل سوپاپها نسبت به یکدیگر بستگی دارد ( در هنگام تنظیم تایمینگ در موتورهای مجهز به دو میل سوپاپ در بالای سر سیلندر (DOHC) ، پرش یک دندانه فولی سر سیلندر باعث تغییر در میزان Overlap میگردد ) . تایمینگ سوپاپها بستگی زیادی به انرژی جنبشی جریان گاز دارد ، لازم به ذکر است که هر چقدر سرعت جریان گاز بیشتر شود ، انرژی جنبشی آن به همان نسبت افزایش پیدا میکند . بدین ترتیب تغییر تایمینگ با توجه به سرعت ( دور ) موتور ، مزیتهای زیادی در بر دارد . با استفاده از این سیستم میتوان جریان گازهای ورودی و خروجی را در تمام دورهای موتور به بهترین نحو تنظیم نمود و نتیجتا گشتاور بیشتری را در تمام دورهای موتور ایجاد کرد و باعث گسترش دامنه و محدوده تولید نیروی موتور گردید .
● تایمینگ متغیر سوپاپ :
انواع سیستمهای تایمینگ متغیر سوپاپ مختلفی وجود دارند که تفاوتهای مکانیسم های عملکردی آنها نسبت به عملکرد کلی شان از اهمیت کمتری برخوردار است . تا چند وقت پیش در اکثر سیستمهای تایمینگ متغیر میل سوپاپ ، تنها یکی از دو میل سوپاپ موتور متغیر بود که البته این تغییر تنها به میزان یک پله انجام می گرفت . در این سیستم در زمان افزایش دور موتور و یا در محدوده مشخصی از آن ، ECU ( واحد کنترل الکترونیکی ) تایمینگ میل سوپاپ را تغییر میدهد و بدین ترتیب یکی از میل سوپاپها در وضعیت آوانس یا ریتارد قرار میگیرد .
در خیلی از موتورهائی که مجهز به دو میل سوپاپ در سر سیلندر میباشند (DOHC) این نوع سیستم باعث میگردد تایمینگ سوپاپهای اگزوز ( بر خلاف تصور عمومی که حاکی از اهمیت بیشتر سوپاپهای ورودی است ) تغییر پیدا کند ، البته در برخی انواع نادرتر ، تایمینگ سوپاپهای ورودی تغییر میکند .
نمونه ای از نوع دوم در برخی اتومبیلهای پورشه مشاهده میگردد . در یکی از مدلهای Porsche ۹۱۱ که مجهز به سیستم Vario Cam است ، این سیستم باعث میگردد تا تایمینگ سوپاپ ورودی بعد از رسیدن دور موتور به ۱۳۰۰ دور در دقیقه ، ۲۵ درجه تغییر کند و نتیجتا محفظه احتراق بهتر پر و خالی شود و گشتاور افزایش پیدا کند . بعداز رسیدن دور موتور به حد ۵۹۲۰ دور در دقیقه ، تایمینگ ۲۵ درجه کاهش پیدا میکند و به حد اولیه ( دور آرام ) باز می گردد و عملکرد موتور در دور موتور بالا را بهبود می بخشد . در مواقعی که درجه حرارت روغن موتور بالا رفته باشد این تغییر در دور موتور ۱۵۰۰ دور در دقیقه انجام می گیرد .
سیستمهای اولیه که در آن تنها تایمینگ یک میل سوپاپ تغییر پیدا میکند هر چند که بهتر از سیستمهای تایمینگ ثابت عمل میکنند ، با این وجود کاملا قانع کننده نیستند . موتورهای مجهز به این سیستم تنها در دو حالت و دور موتور خاص دارای عملکرد بهینه هستند . واضح است که تغییرات کوچک و متعدد تایمینگ حتی اگر در مورد یکی از میل سوپاپها اعمال شود بهتر است و اگر تایمینگ هر دو میل سوپاپ قابل تغییر باشد نور علی نور خواهد بود . دراین حالت تایمینگ هر دو میل سوپاپ دائما با توجه به شرائط عملکرد موتور ، در حال تغییر خواهند بود .
BMW اولین شرکت بود که از سیستم دو میل سوپاپ متغیر استفاده نمود و آنرا Double Vanos نامید ، ( سیستم Single Vanos آنها تنها بر یک میل سوپاپ تاثیر گذار بود ) . در موتورهای مجهز به Double Vanos ، تایمینگ هر یک از میل سوپاپها تا ۶۰ درجه تغییر میکند ، البته در موتورهای V۸ مدل M۵ میل سوپاپ ورودی تا ۵۴ درجه و میل سوپاپ اگزوز " تنها " ۳۹ درجه قابل تنظیم است و بدین ترتیب Overlap ( مدت زمان باز بودن همزمان سوپاپهای ورودی و خروجی ) از ۸۰ درجه تا ۱۲- درجه قابل تنظیم است . منظور از ۱۲- درجه این است که سوپاپهای اگزوز ۱۲ درجه قبل از باز شدن سوپاپهای ورودی بسته میشوند .
● لیفت (lift)متغیر سوپاپ :
سیستم VTEC ساخت HONDA از این جهت مشهور است که در آن لیفت و تایمینگ سوپاپ قابل تغییرند . در سیستم HONDA ، میل سوپاپهای هر سیلندر دارای دو بادامک بلند اضافی و دو انگشتی اضافی میباشند که در دور موتورهای پائین هرز میگردند . در دور موتور خاص ( معمولا دور موتور بالا ) پیمهای هیدرولیکی که بطور الکترونیکی کنترل میشوند هر سه انگشتی را به یکدیگر قفل کرده و نتیجتا بادامکهای بلندتر وارد عمل میشوند . بدین ترتیب تغییر تایمینگ و لیفت سوپاپ در یک مرحله صورت میگیرد و باعث تغییر عمده ای در عکس العمل موتور میگردد .
موتور ۲ZZ – GE تویوتا با حجم cc ۱۸۰۰ که در نسل آخر تویوتا سلیکا مورد استفاده قرار گرفته است نیز از تایمینگ و لیفت متغیر سوپاپ بهره میبرد . سیستم لیفت متغیر تویوتا هم بر سوپاپهای ورودی و هم بر سوپاپهای اگزوز تاثیر گذار است ، در این موتور تنظیم لیفت بلند میل سوپاپ در ۶۰۰۰ دور در دقیقه فعال میشود . بادامکهای بلند ، لیفت سوپاپ ورودی را ۵۴ درصد افزایش داده و به mm ۱۱.۲ میرسانند ، لیفت سوپاپ اگزوز نیز با ۳۸ درصد افزایش به mm ۱۰ میرسد .
میل سوپاپهائی که دارای لیفت زیاد هستند ، باعث افزایش مدت زمان باز ماندن سوپاپ ورودی میگردند ، بدین ترتیب هر Overlap سوپاپها از چهار درجه ( در حالت تنظیم ورودی کاملا ریتارد و لیفت دور پائین ) و ۹۴ درجه ( در حالت فول آوانس و لیفت دور بالا ) متغیر است . Overlap ۹۴ درجه معمولا در موتورهای کاملا مسابقه ای (Full race) به چشم می خورد . لازم به ذکر است نسل قبلی تویوتا سلیکا (Celica) که مجهز به موتور ۵S – FE و تنها دارای Overlap ۶ درجه بود و موتور اسپرتی cc ۲۰۰۰ با نام ۳S – GE در اولین مدل سلیکا دیفرانسیل جلو تنها ۱۴ درجه Overlap داشت .
تایمینگ میل سوپاپ ورودی با توجه به دور موتور ، وضعیت پدال گاز ، زاویه سوپاپ ورودی ، درجه حرارت مایع خنک کننده موتور و حجم هوای ورودی تغییر میکند . تایمینگ میل سوپاپ ورودی در هنگام آغاز به کار موتور ( استارت ) ، سرد بودن موتور ، دور آرام و خاموش کردن موتور ، تا حد ممکن ریتارد میشود . یک پیم کنترل کننده تایمینگ میل سوپاپ را در هنگام استارت و در مرحله پس از آن قفل مینماید تا جائی که فشار روغن مناسب برقرار شود ( این تدبیر برای جلوگیری از سر و صدای اضافی موتور اتخاذ شده است ) .
در سیستم VVTI تویوتا ، تایمینگ میل سوپاپ تا ۴۳ درجه نسبت به زاویه میل لنگ متغیر است . البته سیستم لیفت متغیر نیز در طول مدت زمان باز بودن سوپاپ تاثیر گذار است و بدین ترتیب تایمینگ را به ۶۸ درجه میرساند ( با توجه به اینکه در وضعیت حداکثر ریتارد سوپاپ ورودی در دور موتور متوسط ، تایمینگ ۱۰- ( ۱۰ درجه قبل از TDC ) تا حداکثر آوانس سوپاپ ورودی در دور بالا که ۵۸ درجه قبل از TDC ( بالاترین وضعیت قرار گرفتن پیستون در سیلندر ) است متغیر می باشد ) .
سیستم لیفت متغیر از مکانیسم تعویض بادامک برای افزایش لیفت سوپاپهای ورودی و خروجی بعد از رسیدن دور موتور به ۶۰۰۰ دور در دقیقه استفاده میکند . این سیستم هیدرولیکی توسط ECU موتور که بخشی از سخت افزار کنترل هیدرولیکی آن با سیستم VVTI مشترک است استفاده میکند . اطلاعات ورودی های آن عبارتند از : زاویه و دور میل لنگ، حجم جریان هوا ، وضعیت دریچه گاز ، زاویه میل سوپاپ ورودی و درجه حرارت مایع خنک کننده . سیستم لیفت متغیر قبل از افزایش درجه حرارت مایع خنک کننده تا ۶۰ درجه سانتیگراد فعال نمیشود . این مکانیسم شامل میل سوپاپها با دو دست بادامک میباشد که یک دست آن برای دور پائین تا دور متوسط است و سری دوم برای دورهای بالاتر موتور به کار میرود ( لیفت بالا ) . کل سیستم شامل هشت انگشتی برای هر جفت سوپاپ ، دو انگشتی ( که در طرف داخلی میل سوپاپها قراردارند ) و یک دریچه کنترل روغن که در انتهای میل سوپاپ ورودی قرار دارند ، میباشد .
با وجود اینکه این نوع سیستمهای تایمینگ و لیفت متغیر تک مرحله ای باعث افزایش قدرت میگردند ، با این حال در کاربرد واقعی بسیار خام عمل مینمایند ، به عنوان مثال تغییر تک مرحله ای در گشتاور موتور در یک موتور توربوچارج شده قابل تحمل نمیباشد .
● تایمینگ و لیفت متغیر سوپاپ :
چند خودرو ساز دیگر نیز از تغییر تایمینگ و لیفت تک مرحله ای استفاده مینمایند . جدیدا BMW سیستم Valvetronic را ارائه نموده که تحولی چشمگیر در این رابطه است . این سیستم به طور نامحسوس و غیر منقطع تایمینگ را در یکی از میل سوپاپها و لیفت سوپاپهای ورودی را تغییر میدهد . جالب ترین نکته در این سیستم عدم استفاده از پروانه دریچه گاز است زیرا موتور بازده حجمی خود را با تغییر لیفت سوپاپ ورودی تنظیم مینماید .
سیستم Valvetronic بر گرفته از سیستم Double Vanos ساخت همین شرکت است که تایمینگ میل سوپاپهای ورودی و خروجی ( اگزوز ) را به طور غیر منقطع تغییر میدهد و علاوه بر آن با استفاده از یک اهرمی که بین میل سوپاپ و سوپاپهای ورودی قرار دارد ، لیفت سوپاپهای ورودی را نیز تغییر میدهد . محور مخصوصی فاصله اهرم را از میل سوپاپ تغییر میدهد ، وضعیت محور فوق توسط یک سیستم الکتریکی تعیین میشود . وضعیت اهرم در واقع لیفت را به دستور سیستم مدیریت موتور کوچک یا بزرگ مینماید .
سیستم Valvetronic تنها از لحاظ عدم قابلیت لیفت سوپاپهای خروجی از سیستمهای الکترونیکی پنوماتیک ( بادی ) مورد استفاده در موتورهای مسابقه ای F۱ ، که عملکرد سوپاپها به طور مستقل از هم و به طور انفرادی کنترل می کنند ، کم قابلیت تر است .
پس نتیجه میگیریم هر گونه قابلیت تغییر در تایمینگ با لیفت سوپاپ برای بهبود قابلیت تنفس ( تبادل هوا ) در هر محدوده عملکرد موتور باعث بهبود قابلیتهای آن میگردد . هر چقدر تنظیمات دقیق تر و تعداد سوپاپهای قابل تنظیم بیشتر باشد ، نتیجه نهائی بهتر خواهد شد و علاوه بر افزایش بازده باعث افزایش نرمی کارکرد و تسریع و بهبود عکس العمل موتور در تمام محدوده دور موتور آن میگردد . در موتورهای معمولی تغییر زاویه میل سوپاپ و افزایش آوانس باعث بهتر شدن بازده موتور در دور بالا میشود . هر چند که عملا نرمی کارکرد و بازده موتور را در دور پائین و دور متوسط بازده مختل میکند ( مثل میل سوپاپهائی که اصطلاحا به آنها فول ریس گفته میشود ). در نقطه مقابل این نوع میل سوپاپها انواع معمولی قرار دارند که با وجود نرمی عملکرد در دور پائین و متوسط قادر به ارائه حداکثر بازده موتور در دور بالا هستند که به آنها انواع شهری یا معمولی گفته می شود.
سیستمهای متغیر امروزی که در این مقاله سعی نمودیم نگاهی هر چند کلی به سیر تکامل و آخرین تحولات آن داشته باشیم در واقع حداکثر بازده موتور را چه در دور پائین و متوسط و چه در دور بالا ایجاد مینماید. ضمن آنکه نرمی عملکرد موتور در دور آرام و راحتی استارت آن در سرما و گرما را تضمین می نماید.
نویسنده : دکتر رضا لواسانی - ماهنامه خودرویاب شماره۴