اکثر علاقمندان به اتومبيل و صنايع خودروسازي با واژه VVT-i که روي بدنه انواع تويوتا هاي جديد، سيستم Vanos موتورهاي ب ام و و سيستم V-Tec هوندا تا حدودي آشنا هستند و بعضا جوياي مفهوم آن شده اند. اين واژه ها هر يک معرف سيستم تايمينگ يا زمانبندي متغير باز و بسته شدن سوپاپها در موتورهاي ساخت کارخانه هاي مربوطه مي باشند . هدف از ارائه چنين سيستم هائي افزايش بازده موتور در تمام شرائط کارکرد آن اعم از دور موتور مختلف و شرائط محيطي متفاوت مي باشد. در موتورهاي قديمي تر متخصصين با در نظر گرفتن شرائطي که موتور براي آن در نظر گرفته شده ميل سوپاپ با تايمينگ مناسب را براي آن انتخاب نموده اند که البته اين امر داراي محدوديت هاي زيادي است ، بعنوان مثال ميل سوپاپ اصطلاحا درجه بالا براي مسابقات و افزايش بازده در دور بالا بسيار مناسب بوده که اين افزايش قدرت در دور بالا به قيمت کاهش چشمگير گشتاور و قدرت در دورهاي مياني و پائين موتور مي شود و عملا موتور را در دورهاي پائين ( مثلا در شهر) غير قابل استفاده مي نمايد .
طول مدت زمان و لحظه اي که در آن سوپاپهاي ورودي و تخليه باز و بسته ميشوند ، تنها در دور موتور خاص و مشخصي حداکثر بازده را ايجاد مي کند و هر چه دور موتور تغيير بيشتري نمايد ، بازده موتور کاهش پيدا مي کند ، به همين دليل مهندسن سيستمي را در موتورهاي جديدتر ابداع کرد ه اند که تايمينگ يا زمان بندي با توجه به دور موتور تغيير پيدا مي نمايد . قبلا از بررسي اين سيستم ابتدا اشاره اي خواهيم داشت به طرز کار موتور چهار زمانه .
هنگامي که پيستون در وضعيت TDC ( نقطه مرگ بالا يعني بالاترين نقطه در داخل سيلندر ) قرار دارد ، سوپاپهاي ورودي در حالي که پيستون به سمت پائين در حرکت است باز مي شوند ، در اين هنگام با آغاز پائين رفتن مخلوط هوا و سوخت به داخل سيلندر مکيده مي شوند که به اين مرحله مکش گفته مي شود .
هنگامي که پيستون به پائين ترين نقطه ممکنه در داخل سيلندر مي رسد ، سوپاپهاي ورودي بسته شده و مخلوط هوا و سوخت در داخل سيلندر محبوس مي گردد . در مرحله بعد پيستون به سمت بالا حرکت کرده و به تدريج مخلوط سوخت و هوا را فشرده ميسازد که به اين مرحله تراکم (Compression) گفته مي شود . شمع هنگامي که پيستون مجددا به بالاترين نقطه ممکن مي رسد ( يا نزديک به آن مي شود ) جرقه مي زند . انفجار کنترل شده حاصله ، پيستون را با نيروي زيادي به پائين رانده و نيروي مکانيکي توليد مي نمايد که به آن مرحله توليد نيرو با قدرت گفته مي شود . بعد از رسيدن پيستون به پائين ترين نقطه ممکن ، سوپاپ اگزوز باز شده و بر اثر بالا آمدن مجدد پيستون ، گازهاي حاصل از احتراق تخليه مي گردند که به اين مرحله تخليه گفته مي شود . در طي اين مراحل که در تمام موتورهاي چهار زمانه بنزيني مشترک است ، زمان باز و بسته شدن سوپاپها اهميت زيادي داشته و در استفاده بهينه از سوخت و ايجاد حداکثر بازده موثر است . در اين مقاله سعي شده عوامل موثر بر تعيين و تنظيم تايمينگ سوپاپها هر چند بطور اجمالي مورد بررسي قرار گيرد .

بسته شدن سوپاپ ورودي :

سوپاپ ورودي معمولا چند درجه ( منظور از چند درجه ، مقدار زاويه دوران ميل لنگ است ) بعد از پائين ترين وضعيت ممکنه پيستون در داخل سيلندر و در حالي که پيستون برگشت به سمت بالا را در داخل سيلندر آغاز نموده ، بسته مي شود ،چرا ؟
به نظر مي رسد اگر سوپاپ ورودي در حالي که پيستون به سمت بالا در حال حرکت است باز بماند مقدار زيادي از مخلوط هوا و سوخت از مسير ورود به بيرون رانده شود ، ولي در عمل چنين اتفاقي رخ نمي دهد ، زيرا با توجه به سرعت بسيار زياد ورود مخلوط به سيلندر ( حدود 800 کيلومتر در ساعت ) ، مخلوط انرژي جنبشي پيدا کرده و بعد از رسيدن پيستون به پائينترين وضعيت در داخل سيلندر جريان آن ادامه پيدا کرده و حتي اندکي پس از شروع مرحله بالا رفتن پيستون جريان ادامه دارد . اين مرحله تا ابد ادامه پيدا نمي کند و پيستون بالا رونده در مقطعي خاص و در صورتي که سوپاپ ورودي باز باشد به انرژي جنبشي مخلوط غلبه کرده و آن را به داخل مسير ورودي سيلندر پس ميزند .
پس ، بهترين وضعيت پر شدن يا اشباع سيلندر هنگامي صورت مي گيرد که بسته شدن پيستون تا لحظات اوليه پس زدن مخلوط به تعويق افتد ، يعني ضمن بهره گيري از حداکثر ( انرژي جنبشي ) مخلوط ، از هدر رفتن آن جلوگيري شود و سيلندر تا حد اکثر ممکن از مخلوط پر شود .

باز شدن سوپاپ اگزوز :

اگر سوپاپ ورودي بعد از رسيدن پيستون به پائين ترين وضعيت ممکنه (TDC) در داخل سيلندر بسته نشده باشد و يا سوپاپ اگزوز که قبلا راجع به آن گفتيم در هنگام رسيدن پيستون به پائين ترين وضعيت ممکن باز شود چه اتفاقي خواهد افتاد ؟ اگر معتقديد که چنين اتفاقي ممکن نيست ، درست حدس زده ايد . در واقع سوپاپ اگزوز قبل از رسيدن پيستون به پائين ترين وضعيت ممکن ، باز مي شود . پيستون در مرحله توليد نيرو تحت تاثير گازهاي گرم به پائين رانده شده و نيروي توليد شده خودرو را به جلو مي راند . با اين تفاسير چرا بعضا طراحان و مهندسين سعي دارند تا سوپاپ اگزوز کمي زودتر باز شده و مقداري از فشار داخل سيلندر کم شود؟
براي درک بهتر دليل باز شدن سوپاپ اگزوز کمي قبل از رسيدن پيستون به پائين ترين وضعيت ممکن ، بايد اشاره اي به مرحله بعدي که مرحله تخليه سيلندر است داشته باشيم، تخليه گازهاي خروجي از طريق سوپاپ اگزوز ، در هنگام بالا آمدن پيستون نيازمند نيرو مي باشد ، که اين نيرو توسط ميل لنگ وارد مي گردد ، اگر سوپاپ اگزوز هنگامي که هنوز مقداري فشار حاصل از احتراق در سيلندر باقي مانده باز شود ، باعث مي گردد که مقداري از گازهاي حاصل از احتراق تحت تاثير اين فشار قبل از حرکت پيستون به بالا از سيلندر خارج شوند . با کاهش مقدار گازها ، نيروي مورد نياز براي تخليه سيلندر کم شده و نتيجتا بازده موتور افزايش پيدا مي کند

Overlap يا باز بودن همزمان سوپاپها:

پيستون در مسير خود به سمت بالاترين وضعيت ممکن الباقي گازهاي حاصل از احتراق را به بيرون مي راند . جريان گازهاي خروجي نيز مثل جريان هواي ورودي داراي انرژي جنبشي است يعني اين که حتي بعد از رسيدن پيستون به بالاترين وضعيت ممکن و شروع مرحله پائين آمدن پيستون جريان گاز خروجي ادامه دارد ، بدين ترتيب ميتوان بسته شدن سوپاپ را تا بعد از رسيدن پيستون به بالاترين وضعيت ممکن به تعويق انداخت .
لازم بيادآوري است که هدف مکش بيشترين حجم مخلوط هوا و سوخت مي باشد زيرا نيروي موتورهاي درون سوز از احتراق مخلوط سوخت و هوا در داخل سيلندر ايجاد مي گردد . بهترين مکش هنگامي صورت مي گيرد که سوپاپ ورودي قبل از رسيدن پيستون به بالاترين وضعيت ممکن باز شود . در اين لحظه سوپاپهاي ورودي و سوپاپهاي اگزوز به طور همزمان باز مي باشند که اين مرحله را Overlap يا مدت زمان باز بودن همزمان سوپاپهاي ورودي و خروجي مي نامند .
در اينجا اين سؤال مطرح مي شود که چرا گازهاي خروجي که توسط پيستون به بيرون رانده مي شوند ، وارد منيفولد ورودي نمي گردند ، جواب اين است که طراحي مناسب منيفولد اگزوز و فشار نسبي کمتر داخل آن باعث مي شوند که گازهاي خروجي تحت تاثير فشار کم منيفولد خروجي ( اگزوز ) افزايش سرعت پيدا کرده و از سيلندر خارج گردند ، انرژي جنبشي گازهاي خروجي نيز بنوبه خود باعث کاهش فشار داخل سيلندر و مکش بيشتر مخلوط هوا و سوخت به داخل آن مي گردند .
لحظه بسته شدن سوپاپ ورودي مهمترين نکته در تايمينگ ميل سوپاپ است ، هر چند که تمام مراحل آن از اهميت به سزائي برخوردارند . به عنوان مثال تايمينگ صحيح باز شدن سوپاپ خروجي در واقع نقطه تعادلي از کاهش مقدار کمي از نيروي توليد شده در مرحله توليد نيرو و کاهش مقداري از بار گازهاي خروجي در مرحله تخليه است ، طول مدت Overlap نيز شديدا در دور موتور تاثير گذار است . در موتورهائي که مجهز به سيستم تايمينگ سوپاپ معمولي هستند ، رابطه بين تايمينگ سوپاپها ثابت است . در موتورهائي که داراي يک ميل سوپاپ هستند اين مسئله به شکل بادامکهاي روي ميل سوپاپ بستگي داشته و در موتورهاي مجهز به دو ميل سوپاپ به زاويه ميل سوپاپها نسبت به يکديگر بستگي دارد ( در هنگام تنظيم تايمينگ در موتورهاي مجهز به دو ميل سوپاپ در بالاي سر سيلندر (DOHC) ، پرش يک دندانه فولي سر سيلندر باعث تغيير در ميزان Overlap مي گردد ) . تايمينگ سوپاپها بستگي زيادي به انرژي جنبشي جريان گاز دارد ، لازم به ذکر است که هر چقدر سرعت جريان گاز بيشتر شود ، انرژي جنبشي آن به همان نسبت افزايش پيدا مي کند . بدين ترتيب تغيير تايمينگ با توجه به سرعت ( دور ) موتور ، مزيتهاي زيادي در بر دارد . با استفاده از اين سيستم ميتوان جريان گازهاي ورودي و خروجي را در تمام دورهاي موتور به بهترين نحو تنظيم نمود و نتيجتا گشتاور بيشتري را در تمام دورهاي موتور ايجاد کرد و باعث گسترش دامنه و محدوده توليد نيروي موتور گرديد .

تايمينگ متغير سوپاپ :

انواع سيستمهاي تايمينگ متغير سوپاپ مختلفي وجود دارند که تفاوتهاي مکانيسم هاي عمل کردي آنها نسبت به عملکرد کلي شان از اهميت کمتري برخوردار است . تا چند وقت پيش در اکثر سيستمهاي تايمينگ متغير ميل سوپاپ ، تنها يکي از دو ميل سوپاپ موتور متغير بود که البته اين تغيير تنها به ميزان يک پله انجام مي گرفت . در اين سيستم در زمان افزايش دور موتور و يا در محدوده مشخصي از آن ، ECU ( واحد کنترل الکترونيکي ) تايمينگ ميل سوپاپ را تغيير ميدهد و بدين ترتيب يکي از ميل سوپاپها در وضعيت آوانس يا ريتارد قرار مي گيرد .
در خيلي از موتورهائي که مجهز به دو ميل سوپاپ در سر سيلندر مي باشند (DOHC) اين نوع سيستم باعث مي گردد تايمينگ سوپاپهاي اگزوز ( بر خلاف تصور عمومي که حاکي از اهميت بيشتر سوپاپهاي ورودي است ) تغيير پيدا کند ، البته در برخي انواع نادرتر ، تايمينگ سوپاپهاي ورودي تغيير مي کند .
نمونه اي از نوع دوم در برخي اتومبيلهاي پورشه مشاهده مي گردد . در يکي از مدلهاي Porsche 911 که مجهز به سيستم Vario Cam است ، اين سيستم باعث مي گردد تا تايمينگ سوپاپ ورودي بعد از رسيدن دور موتور به 1300 دور در دقيقه ، 25 درجه تغيير کند و نتيجتا محفظه احتراق بهتر پر و خالي شود و گشتاور افزايش پيدا کند . بعداز رسيدن دور موتور به حد 5920 دور در دقيقه ، تايمينگ 25 درجه کاهش پيدا مي کند و به حد اوليه ( دور آرام ) باز مي گردد و عملکرد موتور در دور موتور بالا را بهبود مي بخشد . در مواقعي که درجه حرارت روغن موتور بالا رفته باشد اين تغيير در دور موتور 1500 دور در دقيقه انجام مي گيرد .
سيستمهاي اوليه که در آن تنها تايمينگ يک ميل سوپاپ تغيير پيدا مي کند هر چند که بهتر از سيستمهاي تايمينگ ثابت عمل مي کنند ، با اين وجود کاملا قانع کننده نيستند . موتورهاي مجهز به اين سيستم تنها در دو حالت و دور موتور خاص داراي عملکرد بهينه هستند . واضح است که تغييرات کوچک و متعدد تايمينگ حتي اگر در مورد يکي از ميل سوپاپها اعمال شود بهتر است و اگر تايمينگ هر دو ميل سوپاپ قابل تغيير باشد نور علي نور خواهد بود . دراين حالت تايمينگ هر دو ميل سوپاپ دائما با توجه به شرائط عملکرد موتور ، در حال تغيير خواهند بود .
BMW اولين شرکت بود که از سيستم دو ميل سوپاپ متغير استفاده نمود و آن را Double Vanos ناميد ، ( سيستم Single Vanos آنها تنها بر يک ميل سوپاپ تاثير گذار بود ) . در موتورهاي مجهز به Double Vanos ، تايمينگ هر يک از ميل سوپاپها تا 60 درجه تغيير ميکند ، البته در موتورهاي V8 مدل M5 ميل سوپاپ ورودي تا 54 درجه و ميل سوپاپ اگزوز " تنها " 39 درجه قابل تنظيم است و بدين ترتيب Overlap ( مدت زمان باز بودن همزمان سوپاپهاي ورودي و خروجي ) از 80 درجه تا 12- درجه قابل تنظيم است . منظور از 12- درجه اين است که سوپاپهاي اگزوز 12 درجه قبل از باز شدن سوپاپهاي ورودي بسته مي شوند .

ليفت (lift)متغير سوپاپ :

سيستم VTEC ساخت HONDA از اين جهت مشهور است که در آن ليفت و تايمينگ سوپاپ قابل تغييرند . در سيستم HONDA ، ميل سوپاپهاي هر سيلندر داراي دو بادامک بلند اضافي و دو انگشتي اضافي مي باشند که در دور موتورهاي پائين هرز مي گردند . در دور موتور خاص ( معمولا دور موتور بالا ) پيمهاي هيدروليکي که بطور الکترونيکي کنترل مي شوند هر سه انگشتي را به يکديگر قفل کرده و نتيجتا بادامکهاي بلندتر وارد عمل مي شوند . بدين ترتيب تغيير تايمينگ و ليفت سوپاپ در يک مرحله صورت مي گيرد و باعث تغيير عمده اي در عکس العمل موتور مي گردد .
موتور 2ZZ – GE تويوتا با حجم cc 1800 که در نسل آخر تويوتا سليکا مورد استفاده قرار گرفته است نيز از تايمينگ و ليفت متغير سوپاپ بهره مي برد . سيستم ليفت متغير تويوتا هم بر سوپاپهاي ورودي و هم بر سوپاپهاي اگزوز تاثير گذار است ، در اين موتور تنظيم ليفت بلند ميل سوپاپ در 6000 دور در دقيقه فعال مي شود . بادامکهاي بلند ، ليفت سوپاپ ورودي را 54 درصد افزايش داده و به mm 11.2 ميرسانند ، ليفت سوپاپ اگزوز نيز با 38 درصد افزايش به mm 10 ميرسد .
ميل سوپاپهائي که داراي ليفت زياد هستند ، باعث افزايش مدت زمان باز ماندن سوپاپ ورودي مي گردند ، بدين ترتيب هر Overlap سوپاپها از چهار درجه ( در حالت تنظيم ورودي کاملا ريتارد و ليفت دور پائين ) و 94 درجه ( در حالت فول آوانس و ليفت دور بالا ) متغير است . Overlap 94 درجه معمولا در موتورهاي کاملا مسابقه اي (Full race) به چشم مي خورد . لازم به ذکر است نسل قبلي تويوتا سليکا (Celica) که مجهز به موتور 5S – FE و تنها داراي Overlap 6 درجه بود و موتور اسپرتي cc 2000 با نام 3S – GE در اولين مدل سليکا ديفرانسيل جلو تنها 14 درجه Overlap داشت .
تايمينگ ميل سوپاپ ورودي با توجه به دور موتور ، وضعيت پدال گاز ، زاويه سوپاپ ورودي ، درجه حرارت مايع خنک کننده موتور و حجم هواي ورودي تغيير ميکند . تايمينگ ميل سوپاپ ورودي در هنگام آغاز به کار موتور ( استارت ) ، سرد بودن موتور ، دور آرام و خاموش کردن موتور ، تا حد ممکن ريتارد مي شود . يک پيم کنترل کننده تايمينگ ميل سوپاپ را در هنگام استارت و در مرحله پس از آن قفل مي نمايد تا جائي که فشار روغن مناسب برقرار شود ( اين تدبير براي جلوگيري از سر و صداي اضافي موتور اتخاذ شده است ) .
در سيستم VVTI تويوتا ، تايمينگ ميل سوپاپ تا 43 درجه نسبت به زاويه ميل لنگ متغير است . البته سيستم ليفت متغير نيز در طول مدت زمان باز بودن سوپاپ تاثير گذار است و بدين ترتيب تايمينگ را به 68 درجه مي رساند ( با توجه به اينکه در وضعيت حداکثر ريتارد سوپاپ ورودي در دور موتور متوسط ، تايمينگ 10- ( 10 درجه قبل از TDC ) تا حداکثر آوانس سوپاپ ورودي در دور بالا که 58 درجه قبل از TDC ( بالاترين وضعيت قرار گرفتن پيستون در سيلندر ) است متغير مي باشد ) .
سيستم ليفت متغير از مکانيسم تعويض بادامک براي افزايش ليفت سوپاپهاي ورودي و خروجي بعد از رسيدن دور موتور به 6000 دور در دقيقه استفاده مي کند . اين سيستم هيدروليکي توسط ECU موتور که بخشي از سخت افزار کنترل هيدروليکي آن با سيستم VVTI مشترک است استفاده مي کند . اطلاعات ورودي هاي آن عبارتند از : زاويه و دور ميل لنگ، حجم جريان هوا ، وضعيت دريچه گاز ، زاويه ميل سوپاپ ورودي و درجه حرارت مايع خنک کننده . سيستم ليفت متغير قبل از افزايش درجه حرارت مايع خنک کننده تا 60 درجه سانتيگراد فعال نمي شود . اين مکانيسم شامل ميل سوپاپها با دو دست بادامک مي باشد که يک دست آن براي دور پائين تا دور متوسط است و سري دوم براي دورهاي بالاتر موتور به کار ميرود ( ليفت بالا ) . کل سيستم شامل هشت انگشتي براي هر جفت سوپاپ ، دو انگشتي ( که در طرف داخلي ميل سوپاپها قراردارند ) و يک دريچه کنترل روغن که در انتهاي ميل سوپاپ ورودي قرار دارند ، مي باشد .
با وجود اين که اين نوع سيستم هاي تايمينگ و ليفت متغير تک مرحله اي باعث افزايش قدرت مي گردند ، با اين حال در کاربرد واقعي بسيار خام عمل مينمايند ، به عنوان مثال تغيير تک مرحله اي در گشتاور موتور در يک موتور توربوچارج شده قابل تحمل نميباشد .

تايمينگ و ليفت متغير سوپاپ :

چند خودرو ساز ديگر نيز از تغيير تايمينگ و ليفت تک مرحله اي استفاده مي نمايند . جديدا BMW سيستم Valvetronic را ارائه نموده که تحولي چشمگير در اين رابطه است . اين سيستم به طور نامحسوس و غير منقطع تايمينگ را در يکي از ميل سوپاپها و ليفت سوپاپهاي ورودي را تغيير ميدهد . جالب ترين نکته در اين سيستم عدم استفاده از پروانه دريچه گاز است زيرا موتور بازده حجمي خود را با تغيير ليفت سوپاپ ورودي تنظيم مي نمايد .
سيستم Valvetronic بر گرفته از سيستم Double Vanos ساخت همين شرکت است که تايمينگ ميل سوپاپهاي ورودي و خروجي ( اگزوز ) را به طور غير منقطع تغيير مي دهد و علاوه بر آن با استفاده از يک اهرمي که بين ميل سوپاپ و سوپاپهاي ورودي قرار دارد ، ليفت سوپاپهاي ورودي را نيز تغيير مي دهد . محور مخصوصي فاصله اهرم را از ميل سوپاپ تغيير مي دهد ، وضعيت محور فوق توسط يک سيستم الکتريکي تعيين مي شود . وضعيت اهرم در واقع ليفت را به دستور سيستم مديريت موتور کوچک يا بزرگ مي نمايد .
سيستم Valvetronic تنها از لحاظ عدم قابليت ليفت سوپاپهاي خروجي از سيستمهاي الکترونيکي پنوماتيک ( بادي ) مورد استفاده در موتورهاي مسابقه اي F1 ، که عملکرد سوپاپها به طور مستقل از هم و به طور انفرادي کنترل مي کنند ، کم قابليت تر است .
پس نتيجه مي گيريم هر گونه قابليت تغيير در تايمينگ با ليفت سوپاپ براي بهبود قابليت تنفس ( تبادل هوا ) در هر محدوده عملکرد موتور باعث بهبود قابليتهاي آن ميگردد . هر چقدر تنظيمات دقيق تر و تعداد سوپاپهاي قابل تنظيم بيشتر باشد ، نتيجه نهائي بهتر خواهد شد و علاوه بر افزايش بازده باعث افزايش نرمي کارکرد و تسريع و بهبود عکس العمل موتور در تمام محدوده دور موتور آن مي گردد . در موتورهاي معمولي تغيير زاويه ميل سوپاپ و افزايش آوانس باعث بهتر شدن بازده موتور در دور بالا مي شود . هر چند که عملا نرمي کارکرد و بازده موتور را در دور پائين و دور متوسط بازده مختل ميکند ( مثل ميل سوپاپهائي که اصطلاحا به آنها فول ريس گفته مي شود ). در نقطه مقابل اين نوع ميل سوپاپها انواع معمولي قرار دارند که با وجود نرمي عملکرد در دور پائين و متوسط قادر به ارائه حداکثر بازده موتور در دور بالا هستند که به آنها انواع شهري يا معمولي گفته مي شود.
سيستمهاي متغير امروزي که در اين مقاله سعي نموديم نگاهي هر چند کلي به سير تکامل و آخرين تحولات آن داشته باشيم در واقع حداکثر بازده موتور را چه در دور پائين و متوسط و چه در دور بالا ايجاد مي نمايد. ضمن آن که نرمي عمل کرد موتور در دور آرام و راحتي استارت آن در سرما و گرما را تضمين مي نمايد.
منبع: ماهنامه خودروياب
/خ