بررسی و معرفی سیستم باز و بسته‌شدن متغیر سوپاپ‌‌ها

[بهداد]

بررسی و معرفی سیستم باز و بسته‌شدن متغیر سوپاپ‌‌ها
یکی از مهم‌ترین خط‌مشی‌های پیش رو در همه کمپانی‌های دنیا، به دست آوردن بیشترین بازده از کمترین کار انجام شده است. همه شرکت‌های سازنده وسایل از جمله کمپانی‌های خودروسازی به دنبال افزایش بهره‌وری در محصولات خود هستند. یکی از قسمت‌هایی که شرکت‌های خودروسازی روی آن مانور زیادی می‌دهند و هر ساله هزینه‌های بالایی برای رشد و توسعه آن می‌پردازند، قسمت قوای محرکه و خصوصا پیشرانه است. بحث کاهش آلاینده‌ها یکی از مسائل و مشکلات پیش روی این شرکت‌هاست که باعث می‌شود تا حرکت به سمت آن، از قدرت تولیدی خودرو‌ها بکاهد. در این زمان لازم است تا با استفاده از سیستم‌های نوین طراحی پیشرانه، در کنار رسیدن به آلاینده‌های کمتر، نه‌تنها از قدرت تولیدی خودرو‌ها کاسته نشود بلکه به بهینه‌تر شدن آنها نیز کمک کند. در این زمان است که انواع و اقسام تکنولوژی‌ها به میان می‌آیند. یکی از سامانه‌هایی که امروزه بسیار کارایی دارد و در اکثر خودرو‌های مدرن امروزی اثری از آن می‌بینیم، سیستم باز و بسته‌شدن متغیر سوپاپ‌هاست. این سیستم که خود دارای 9 روش کلی است، بر چگونگی تنفس و خروج گاز حاصل از احتراق از پیشرانه بنا شده است.

سیستم باز و بسته‌شدن متغیر سوپاپ‌ها فقط مختص به پیشرانه‌های امروزی و خودرو‌ها نیست. این روش در گذشته و در هواپیما‌ها و موتور‌های بخار نیز وجود داشت، اما ورود این تکنولوژی به دنیای خودروسازی از دهه بیستم قرن بیستم بود. در سال‌های آغازین ساخت موتور‌های درون‌سوز بنزینی، یک راه‌حل برای گرفتن قدرت بیشتر از پیشرانه، افزایش حجم آن بود. اما این افزایش حجم به کمک بالا بردن دور موتور‌ها به نتیجه مطلوب می‌رسید که یکی از لازمه‌های پیشرانه‌های درون‌سوز برای رسیدن به یک قدرت مناسب است. اما بالابردن بیش از مقدار مشخصی در آن روزگار به خاطر دانش کم روانکاری و مشکلات دیگر ممکن نبود. از طرفی سوپاپ‌ها نیز به اندازه کافی پیشرفت نکرده بودند تا جواب خروج گاز‌ها را از یک حجم زیاد بتوانند بدهند. دور موتور نهایی خودرو‌ها به قدری کم بود که دور آرام و دور حداکثر چندان تفاوتی با هم نداشتند!‌ کمپانی‌های خودروسازی به سرعت در حال کار برای افزایش قدرت تولیدی موتور‌ها و بهینه‌کردن ساختار کاری آنها بودند که اولین اقدامات در سال‌های گفته شده انجام گرفت.

اولین حرکت‌های رسمی از سوی پورشه صورت گرفت که این کمپانی از یک شافت نوسان‌کننده برای افزایش باز‌شدن دریچه‌های سوپاپ استفاده می‌کرد. اما در این میان فیات اولین کمپانی‌ای بود که به صورت رسمی از این روش برای پیشرانه‌هایش استفاده کرد. این اتفاق که در دهه 60 روی داد، با استفاده از نیروی هیدرولیکی برای افزایش باز شدن سوپاپ‌ها استفاده می‌شد. این نیرو با سرعت خودرو و دور موتور آن کم و زیاد می‌شد که می‌توانست تا 37 درصد در باز شدن سوپاپ‌ها تغییر ایجاد کند. آلفارومئو اولین کمپانی بود که به شکل رسمی از این تکنولوژی روی خودرو‌های تولید انبوهش استفاده کرد. آلفا اسپایدر تولیدی در دهه 80، از یک پیشرانه 2 لیتری با سامانه مکانیکی تغییر در زمان باز شدن سوپاپ‌ها بهره گرفت. کمپانی نیسان در سال 1987 اولین شرکت سازنده‌ای بود که این روش را به صورت الکترونیکی عرضه کرد. این نوآوری با نام NVCS روی نیسان 300ZX نصب شد.

چرا VVT‌:
این روش که مخفف عبارت Variable valve timing است، به باز و بسته شدن متغیر سوپاپ‌ها معنی می‌شود. در پیشرانه‌ها، میزان و نحوه ورود هوا و سوخت به سیلندر و از طرفی خروج گاز‌های حاصل از احتراق، نقش مهمی در کارکرد پیشرانه دارد. باز و بسته شدن سوپاپ‌ها توسط بادامک‌ها صورت می‌گیرد که تغییر در ساختار آنها می‌تواند این زمان‌بندی را به هم ریخته و نتایج مختلفی را موجب شود. با بالا رفتن دور موتور، زمان باز و بسته‌شدن سوپاپ‌ها به قدری کم می‌شود که نه‌تنها همه گاز‌های حاصل از احتراق نمی‌توانند از سیلندر‌ها خارج شوند، بلکه سوخت و هوای کافی نیز وارد سیلندر‌ها نمی‌شود. پس اگر راهی باشد تا سوپاپ‌ها مدت و میزان بیشتری باز باشند، این عیوب از بین می‌روند و در نتیجه بر کارایی موتور اثر مطلوبی می‌گذارند. برای این منظور باید سوپاپ دود دیر‌تر بسته شود و سوپاپ هوا نیز زودتر باز شود. با استفاده از سیستم VVT هم در دور‌های بالایی موتور، توان بیشتری از پیشرانه شاهدیم و هم در دور‌های پایینی، گشتاور خروجی پیشرانه بیشتر خواهد بود.

VVT و نام‌های مختلف آن‌:
سیستم‌های مختلفی که روی خودرو‌ها نصب می‌شوند، معمولا پس از یک سری تغییرات یا حتی بدون آنها، نام‌های مختلفی از طرف شرکت‌های خودروسازی به خود می‌گیرند. برای مثال، سامانه پایداری الکترونیکی توسط شرکت‌های مختلف به اسم‌های متنوعی خوانده می‌شود که ممکن است یکی از DCT ،‌ESP و ... باشد و یا همان طور که در شماره‌های قبلی برای سیستم گیر‌بکس‌های دو‌کلاچه گفتیم. سامانه باز و بسته شدن متغیر سوپاپ‌ها نیز از این قانون نانوشته جدا نیست و بسته به اینکه شرکت سازنده خودرو و پیشرانه از کدام روش برای این کار استفاده می‌کند، نام‌های مختلفی روی آن می‌گذارد. حتی ممکن است که یک شرکت از چند روش مختلف در پیشرانه‌های ساخت خود استفاده کند که به همین دلیل نیز دارای چند نام اختصاری مختلف باشد. در زیر نام این سیستم را به زبان کمپانی‌های مختلف دنیا می‌بینیم.

روش‌های گوناگون تکنولوژی VVT‌:
همان‌طور که گفتیم کمپانی‌های خودرو‌سازی از روش‌های مختلفی برای این تکنولوژی استفاده می‌کنند که موجب می‌شود تا نام‌های مختلفی روی این سیستم گذاشته شود. در اینجا به اختصار به معرفی این روش‌ها می‌پردازیم و در شماره‌های آتی به طور مفصل‌تری درباره آنها حرف خواهیم زد.

1- Cam switching‌:

در این روش از دو میله با یک محرک برای جابه‌جایی بین این دو میله استفاده می‌شود که می‌تواند هم میزان و هم مدت زمان باز بودن سوپاپ‌ها را تغییر دهد.

2- Cam phasing:

رایج‌ترین نوع از سیستم VVT است که از یک تغییر‌دهنده برای تغییر در تعداد مرتبه باز و بسته شدن سوپاپ‌ها استفاده می‌کند. این سیستم نمی‌تواند زمان و میزان باز و بسته شدن را تغییر دهد.

3- Oscillating Cam‌:

در این روش از یک نوسانگر برای باز و بستن سوپاپ‌ها استفاده می‌شود. یک میله با یک زائده خارج از مرکز به این نوسانگر متصل است که می‌تواند هم زمان و هم میزان باز شدن سوپاپ‌ها را تغییر دهد. اما مشکل این سیستم ارتباط مستقیم بین میزان باز شدن و زمان باز شدن سوپاپ است که نمی‌توانند جدا از هم تنظیم شوند.

4- Eccentric cam drive‌:

از یک دیسک خارج از مرکز که می‌تواند سرعت باز و بسته شدن سوپاپ را تغییر دهد، تشکیل شده است. مزیت این سیستم در این است که میزان باز شدن و زمان باز ماندن می‌توانند مستقل از هم باشند.

5- Three-Dimensional Cam Lobe‌:

از یک میله برای تغییر در زمان باز و بسته شدن استفاده می‌شود که یک انتهای آن می‌تواند زمان و میزان باز بودن سوپاپ را کاهش دهد و یک انتهای دیگرش آن را افزایش می‌دهد. با حرکت این میله در جایگاهش، زمان و میزان باز بودن سوپاپ‌ها تغییر می‌کند. فراری در محصولاتش از این روش استفاده می‌کند.

6- Two Shaft Combined Cam Lobe Profile :

در این روش از دو میله موازی هم به همراه یک دنباله که‌ روی آنها می‌چرخد، استفاده می‌شود. این ساختار می‌تواند بین میله‌ها که دارای تفاوت‌هایی با هم هستند، تعویض شود تا در باز و بسته شدن سوپاپ‌ها تغییر حاصل شود. این سیستم در حال حاضر توسط هیچ شرکتی استفاده نمی‌شود.

7- Coaxial Two Shaft Combined Cam Lobe Profile‌:

این سیستم که توسط شرکت سازنده‌ای استفاده نمی‌شود، یکی از ابتدایی‌ترین روش‌های سامانه VVT است. در این روش از دو میله هم مرکز که در نزدیکی بادامک‌ها قراردارند، استفاده می‌شود. این میله‌ها می‌توانند با تغییر در زاویه قرار‌گیری‌شان، زمان و میزان باز شدن سوپاپ‌ها را تغییر دهند.

8- Helical Camshaft‌:

این سیستم نیز مشابه با سیستم قبلی است و در پیشرانه‌های تولیدی از آن استفاده نمی‌شود. تفاوت این روش با مدل قبلی در استفاده از یک حلزونی به جای میله‌های هم‌محور است.

9- Camless engines‌:

در این روش میل بادامک و متعلقات آن حذف شده و یک تکنولوژی نوین و نوپاست. در این روش برای باز و بستن سوپاپ‌ها از نیرو‌های الکتریکی، پنوماتیک، هیدرولیکی و یا موتور‌های پله‌ای برقی استفاده می‌شود که می‌توانند به‌راحتی تنظیم شده و سوپاپ‌ها را به میزان و تعداد دفعات دلخواه باز و بسته کنند.