عملکرد موتور — از جمله توان خروجی، گشتاور، مصرف سوخت و آلایندههای خروجی — به دهها عامل دقیقاً تنظیمشده بستگی دارد. یکی از مهمترین این عوامل که اغلب نادیده گرفته میشود، زمانبندی سوپاپ است: لحظه دقیق باز و بسته شدن سوپاپهای ورودی و خروجی در هر چرخه موتور. سیستمهای زمانبندی متغیر سوپاپ (VVT) برای بهینهسازی این زمانبندی در تمام شرایط رانندگی توسعه یافتهاند و نحوه عملکرد موتورهای مدرن را متحول کردهاند.
نحوه کنترل سوپاپها در موتور سنتی
در یک موتور احتراق داخلی چهار زمانه معمولی، سوپاپهای ورودی و خروجی توسط بادامکهای میل بادامک به حرکت در میآیند. شکل این بادامکها سه ویژگی کلیدی را تعیین میکند:
- زمانبندی — زمانی که سوپاپ نسبت به موقعیت پیستون باز و بسته میشود
- مدت — مدت زمانی که سوپاپ باز میماند (عرض فاز)
- لیفت — میزان جابجایی سوپاپ از نشیمنگاه خود
در اکثر موتورهای سنتی، این فازها ثابت هستند — پروفیل میل بادامک هرگز تغییر نمیکند، صرف نظر از اینکه در ترافیک در حالت بیکاری هستید یا در بزرگراه شتاب میگیرید. این سختی یک محدودیت اساسی است.
چرا زمانبندی ثابت سوپاپ مشکلساز است
رفتار گاز در داخل سیلندر، کانالهای ورودی و خروجی بسته به سرعت و بار موتور به طور قابل توجهی تغییر میکند. سرعت جریان دائماً تغییر میکند و امواج فشار در مجاری ورودی و خروجی بسته به زمانبندی میتوانند به پر شدن سیلندر کمک کنند یا آن را مختل کنند. به همین دلیل، یک تنظیم ثابت زمانبندی سوپاپ نمیتواند در تمام شرایط کاری بهینه باشد.
در اینجا آمده است که چگونه زمانبندی ایدهآل سوپاپ در دو سناریوی رایج متفاوت است:
- در حالت بیکاری: فازهای زمانبندی سوپاپ باریک بهترین عملکرد را دارند — باز شدن دیرهنگام و بسته شدن زودهنگام، با حداقل یا بدون همپوشانی سوپاپ (دوره کوتاهی که هر دو سوپاپ ورودی و خروجی همزمان باز هستند). این امر از بازگشت گازهای خروجی به منیفولد ورودی یا فرار مخلوط نسوخته به داخل اگزوز جلوگیری میکند.
- در حداکثر توان: فازهای گسترده مورد نیاز هستند — سوپاپها باید زودتر باز شوند و مدت بیشتری باز بمانند تا حداکثر حجم مخلوط هوا-سوخت وارد سیلندرها شود. فاز همپوشانی گستردهتر همچنین به تخلیه مؤثرتر گازهای خروجی در دور موتور بالا کمک میکند.
بنابراین طراحان موتور مجبور به انجام مصالحههای دشوار هستند. یک پروفیل ثابت میل بادامک باید به طور همزمان ارائه دهد:
- گشتاور قوی در دور پایین و متوسط
- توان قابل قبول در دور بالا
- بیکاری روان و پایدار
- مصرف سوخت خوب و آلایندگی پایین
برآورده کردن تمام این الزامات با یک پروفیل بادامک ثابت تقریباً غیرممکن است — و این دقیقاً همان دلیلی است که زمانبندی متغیر سوپاپ اختراع شد.
زمانبندی متغیر سوپاپ چه کاری انجام میدهد
سیستمهای زمانبندی متغیر سوپاپ به رفتار سوپاپهای موتور اجازه میدهند تا در زمان واقعی با شرایط متغیر رانندگی سازگار شوند. با تنظیم زمانبندی فاز، مدت و لیفت، مهندسان میتوانند منحنی توان موتور را بدون مصالحه مکانیکی به طرز چشمگیری بازسازی کنند. مزایای احتمالی عبارتند از:
- افزایش گشتاور در محدوده وسیعتری از دور موتور
- توان اوج بالاتر
- بهبود مصرف سوخت
- کاهش آلایندههای اگزوز
- بیکاری روانتر و پاسخدهی بهتر دریچه گاز
انواع سیستمهای زمانبندی متغیر سوپاپ
تغییردهندههای فاز (Cam Phasers)
رایجترین رویکرد VVT از یک تغییردهنده فاز استفاده میکند — یک کلاچ هیدرولیکی که میل بادامک را نسبت به میل لنگ میچرخاند. با افزایش دور موتور، سیستم میل بادامک ورودی را جلو میاندازد و باعث میشود سوپاپهای ورودی زودتر باز شوند. این امر پر شدن سیلندر در دور بالا را بهبود میبخشد. اکثر پیادهسازیها فقط روی میل بادامک ورودی کار میکنند، هرچند سیستمهای دو میل بادامک (مانند BMW Double VANOS) زمانبندی ورودی و خروجی را به طور مستقل تنظیم میکنند.
سیستمهای با عرض فاز متغیر
سیستمهای پیشرفتهتر فراتر از صرف جابجایی فاز میروند — آنها همچنین میتوانند آن را گسترش یا تنگ کنند. یک مثال شناخته شده سیستم Toyota VVTL-i است که از دو پروفیل بادامک روی یک میل استفاده میکند:
- زیر ۶۰۰۰ دور در دقیقه، بادامک استاندارد حرکت سوپاپ را کنترل میکند
- بالای ۶۰۰۰ دور در دقیقه، یک بادامک ثانویه با پروفیل تهاجمیتر کنترل را به عهده میگیرد، فاز زمانبندی را گسترش میدهد و لیفت سوپاپ را افزایش میدهد
- با نزدیک شدن موتور به خط قرمز ۸۵۰۰ دور در دقیقه، این انتقال یک افزایش مشخص توان ارائه میدهد — یک «نفس دوم» قابل توجه در حین شتابگیری شدید
سیستمهای لیفت متغیر سوپاپ
تغییر زمان باز شدن سوپاپها یک چیز است — تغییر اینکه تا چه اندازه باز میشوند چیز دیگری است. سیستمهای لیفت متغیر، مانند BMW Valvetronic یا Nissan VVEL، اجازه میدهند که لیفت سوپاپ ورودی به طور پیوسته بر اساس موقعیت دریچه گاز تنظیم شود.
این رویکرد یک مزیت قابل توجه ارائه میدهد: میتواند نیاز به دریچه گاز معمولی را حذف کند. در اینجا آمده که چرا این مهم است:
- یک دریچه گاز سنتی در بارهای کم یک خلأ جزئی در مجرای ورودی ایجاد میکند و تلفات پمپاژ را افزایش میدهد
- این خلأ جریان گاز را کُند میکند، کیفیت پر شدن سیلندر را کاهش میدهد و پاسخدهی دریچه گاز را کند میکند
- با کنترل بار موتور از طریق لیفت سوپاپ به جای دریچه گاز، مجرای ورودی میتواند تا حد زیادی بدون محدودیت باقی بماند
نتایج قابل توجه هستند. سیستمهای لیفت متغیر بدون دریچه گاز معمولاً ارائه میدهند:
- بهبود ۸ تا ۱۵ درصدی در مصرف سوخت
- افزایش ۵ تا ۱۵ درصدی در هر دو توان اوج و گشتاور
- پاسخدهی تیزتر دریچه گاز، به ویژه در سرعتهای پایین
تحریک الکترومغناطیسی سوپاپ
پیشرفتهترین مفهوم در کنترل سوپاپ، میل بادامکهای مکانیکی را به طور کامل با سوپاپهای با تحریک الکترومغناطیسی جایگزین میکند. هر سوپاپ به طور مستقل توسط سولنوئیدهای الکترونیکی باز و بسته میشود و به سیستم کنترل موتور آزادی کامل بر زمانبندی، لیفت و مدت برای هر سوپاپ منفرد در هر چرخه میدهد.
امکاناتی که این امر میگشاید شگفتانگیز هستند:
- زمانبندی سوپاپ کاملاً بهینهشده برای هر دور موتور و شرایط بار
- غیرفعالسازی سیلندر منفرد در حین رانندگی با بار سبک برای صرفهجویی در سوخت
- تبدیل پویا بین چرخههای احتراق — به عنوان مثال، تبدیل یک موتور چهار زمانه به پیکربندی شش زمانه در لحظه
- حذف کامل میل بادامک و تلفات مکانیکی مرتبط با آن
سیستمهای سوپاپ الکترومغناطیسی تا حد زیادی در مرحله تحقیق و توسعه باقی میمانند، اما پتانسیل آنها برای بازتعریف بهرهوری احتراق داخلی قابل توجه است. اینکه آیا در آینده نزدیک به تولید انبوه میرسند یا نه، باید منتظر ماند و دید.
نتیجهگیری
زمانبندی متغیر سوپاپ یکی از تأثیرگذارترین فناوریها در توسعه موتورهای مدرن است. با سازگار کردن رفتار سوپاپ برای تناسب با هر شرایط رانندگی — از بیکاری در شهر تا شتابگیری با گاز کامل — سیستمهای VVT به مهندسان اجازه میدهند موتورهایی را ارائه دهند که همزمان قویتر، کارآمدتر و تمیزتر از طراحیهای با زمانبندی ثابت هستند.
با این حال، بهینهسازی زمانبندی سوپاپ محدودیتهایی دارد. دستیابی به سودهای بیشتر در توان، گشتاور و کارایی از یک حجم موتور معین به طور فزایندهای به فناوریهای دیگر متکی خواهد بود — سیستمهای ترکیبی تقویت اجباری، موتورهای با نسبت تراکم متغیر و سوختهای جایگزین. اما این داستانی برای مقاله دیگری است.
این یک ترجمه است. میتوانید نسخه اصلی را اینجا بخوانید: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
منتشر شده ژانویه 13, 2022 • 5 دقیقه برای مطالعه
