سیستم متغیر سوپاپ یاVVT چیست؟

سیستم متغیر سوپاپ یاVVT چیست؟

کارنت: شاید کلمه VVT شنیده اید یا حتی درکنار بدنه خودروهای جدید دیده اید و این سوال برایتان به وجود آمده که این کلمه به چه معناست؟ در مقاله زیر سعی شده تا این سوال برطرف گردد.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.

برای آنکه وضع تنفس بهینه باشد، موتور به زمانبندی مختلف سوپاپ در سرعتهای مختلف نیاز دارد. وقتی که سرعت موتور افزایش مییابد، زمان لازم برای تنفس و تخلیه کم میشود و بنابراین فرصت کافی برای ورود مخلوط تازه به درون موتور و محفظه احتراق و خروج سریع دود از موتور وجود ندارد. بنابراین بهترین راه حل این است که سوپاپ دود دیرتر بسته شده و سوپاپ هوا زودتر باز شود. به عبارت بهتر همپوشانی سوپاپهای دود و هوا باید متناسب با افزایش سرعت بیشتر شود.

بدون استفاده از فنآوری زمانبندی متغیر سوپاپها، مهندسین مجبورند زمانبندی میانهای را برای موتور انتخاب کنند. برای مثال در یک خودروی باری ممکن است زاویه همپوشانی کمی درنظر گرفته شود زیرا عموما آنرا با سرعت کم میرانند. برعکس یک خودرو مسابقهای نیازمند زاویه همپوشانی زیاد است زیرا باید در حداکثر سرعت، حداکثر قدرت را داشته باشد.

یک خودروی معمولی از زاویه همپوشانی متوسط برخوردار است زیرا چه در سرعت کم و چه در سرعت زیاد باید کارکرد مناسبی داشته باشد و نمیتوان در این خودروها یک ناحیه را قربانی ناحیه دیگر کرد درصورتیکه در خودروی مسابقه یا خودروی باری میتوان ناحیهای از عملکرد را که کمتر مورد توجه میباشد را قربانی ناحیه دیگر نمود. با استفاده از زمانبندی متغیر سوپاپ، قدرت و گشتاور میتواند در ناحیه وسیعی از سرعت بهینه شود. بدون آنکه اثر منفی برروی سایر کمیتها دیده شود.

نتایج اصلی حاصل از بکارگیری VVT به شرح زیر است:

افزایش توان بیشینه در سرعت دورانی بیشتر. به عنوان مثال توان خروجی یک نمونه موتور نیسان مجهز به VVT در حدود ۲۵درصد از موتور بدون VVT بیشتر است. (Nissan Neo VVL 2-Lit)

افزایش گشتاور بیشینه در سرعت دورانی کمتر که بهبود چابکی (Drivability) و افزایش شتاب خودرو را بدنبال دارد. برای مثال در یک نمونه خودروی فیات ۹۰ درصد از گشتاور بیشینه در سرعت دورانی بین ۲۰۰۰ تا ۶۰۰۰ دور در دقیقه بدست میآید که حاکی از ثابت بودن تقریبی منحنی گشتاور در ناحیه نسبتا وسیعی از سرعت دورانی است. (Fiat Barchetta’s 1.8 VVT)

در برخی طراحی ها، کورس بازشدن سوپاپ نیز میتواند متناسب با سرعت موتور تغییر کند. در سرعت دورانی زیاد، کورس زیادتر سوپاپ جریان تخلیه و تنفس را تسریع کرده، و تنفس و تخلیه بهتر میشود. البته در سرعت دورانی کم کورس زیاد سوپاپ تنفس اثر منفی برکیفیت مخلوط سوخت و هوا داشته و اختلاط آنها را با اشکال مواجه میکند، در نتیجه موجب بروز بدسوزی و کاهش کارآیی و توان میشود. بنابراین کورس جابجایی سوپاپ باید متناسب با سرعت موتور متغیر باشد.

انواع سازوکار زمانبندی متغیر سوپاپها VVT

۱. سازوکار تغییر زاویه بادامک

زمانبندی متغیر سوپاپ از نوع تغییر زاویه بادامک سادهترین، ارزانترین، و متداولترین سازوکاری است که درحال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد. اساسا این سازوکار زمانبندی سوپاپها را با تغییر دادن زاویه زمانبندی میل بادامک تغییر میدهد. به عنوان مثال در سرعت زیاد میل بادامک تنفس به اندازه ۳۰ درجه چرخانده میشود تا سوپاپ هوا زودتر بازشود. این حرکت با استفاده از عملگر هیدرولیکی اعمال شده و مقدار جابجایی مورد نیاز توسط سیستم کنترل الکترونیک موتور مراقبت و تنظیم میشود.

توجه داشته باشید که سازوکار تغییر زاویه بادامک نمیتواند زاویه بازبودن سوپاپ را تغییر دهد و فقط دیر یا زود باز شدن سوپاپ تنفس را تغییر میدهد. در نتیجه اگر سوپاپ هوا زود باز شود، زود هم بسته میشود و اگر دیر باز شود، دیرهم بسته میشود. همچنین نمیتواند کورس بازشدن سوپاپ را نیز تغییر دهد. با این وجود سادهترین، و ارزانترین شکل سازوکار زمانبندی متغیر سوپاپ محسوب میشود. زیرا برخلاف سایر سازوکارها که برای هر سیلندر یک عملگر مستقل نیاز دارد، این سازوکار برای هر میل بادامک تنها به یک عملگر هیدرولیکی نیاز دارد.

تغییر پیوسته یا گسسته زاویه میل بادامک

سادهترین سازوکار تغییر زاویه بادامک فقط ۲ یا ۳ نقطه ثابت برای تغییر زاویه دارد، مثلا زاویه ۰ و ۳۰ درجه. سیستم بهتر سازوکار تغییر پیوسته زاویه بادامک میباشد که هر زاویهای بین ۰ تا ۳۰ درجه را برحسب سرعت پوشش میدهد. واضح است که بدین ترتیب زمانبندی بهنیه برای هرسرعتی قابل تنظیم است، ضمن آنکه تغییرات نیز با پیوستگی صورت میگیرد که مزیت مهمی است. برخی طراحیها مانند سیستم:

برروی هر دو میل بادامک تنفس و تخلیه سازوکار تغییر پیوسته زاویه بادامک قرار دارد و موجب میشود تا قیچی سوپاپ یا همپوشانی بیشتری بدست آمده و بازدهی بیشتری حاصل شود. به همین دلیل است که خودروی M3 3.2 از نمونه قبلی خود M3 3.0که فقط روی میل بادامک تنفس عملگر تغییر پیوسته زاویه بادامک دارد، بازدهی بیشتری داشته و قدرت ۱۰۰ اسب بخار در هر لیتر تولید میکند.در سری E46 این سازوکار برروی میل بادامک تنفس ۴۰ درجه و بروی میل بادامک دود ۲۵ درجه تغییر زاویه ایجاد میکند.

فهرست انواع خودروها با سازوکار زمانبندی متغییر سوپاپها

· Audi 2.0-litre – continuous inlet

· Audi 3.0 V6 – continuous inlet, 2-stage exhaust

· Audi V8 – inlet, 2-stage discrete

· BMW Double Vanos – inlet and exhaust, continuous

· Ferrari 360 Modena – exhaust, 2-stage discrete

· Fiat (Alfa) SUPER FIRE – inlet, 2-stage discrete

· Ford Puma 1.7 Zetec SE – inlet, 2-stage discrete

· Ford Falcon XR6’s VCT – inlet, 2-stage discrete

· Jaguar AJ-V6 and updated AJ-V8 – inlet, continuous

· Lamborghini Diablo V12 since SV – inlet, 2-stage discrete

· Mazda MX-5’s S-VT – continuous inlet

· Mercedes V6 and V8 – inlet, 2-stage?

· Nissan QR four-pot and V8 – continuous inlet

· Nissan VQ V6 – inlet, continuous?

· Nissan VQ V6 since Skyline V35 – inlet, electromagnetic

· Porsche Variocam – inlet, 3-stage discrete

· PSA / Renault 3.0 V6 – inlet, 2-stage

· Renault 2.0-litre – inlet, 2-stage discrete

· Subaru AVCS – inlet, 2-stage?

· Toyota VVT-i – continuous, mostly inlet but some also exhaust

· Volvo 4 / 5 / 6-cylinder modular engines – inlet, continuous

· Volkswagen VR6 – inlet, continuous?

Volkswagen (Audi) W8 and W12 – continuous inlet, 2-stage exhaust

مثال ۱

کارکرد این مجموعه بسیار آسان است. به انتهای میل بادامک یک چرخدنده هلیکال متصل شده است. این چرخدنده هلیکال در درون یک فنجانی قرار داشته و میتواند در امتداد محور میل بادامک حرکت خطی داشته باشد. از انجائی که چرخدنده هلیکال دارای دندانههای مایل می باشد، در اثر حرکت خطی فنجانی زاویه میل بادامک نسبت به چرخدنـده تایمینــگ اختـلاف فـاز پیـــــدا میکند و موجب تقدم یا تاخیر در باز و بسته شدن سوپاپها میشود و به همین ترتیب عقب رفتن فنجانی اختلاف فاز در جهت معکوس ایجاد میکند. مقدار جابجایی فنجانی بستگی به اختلاف فشار هیدرولیک دارد. به این ترتیب که در کنار فنجانی دو حفره برای روغن قرار داشته و یک پیستون نازک در وسط آن دو حرکت میکند. جریان روغن بوسیله یک شیر الکترومغناطیس کنترل شده و روغن به میزان لازم وارد حفره موردنظر در سمت جلو یا عقب پیستون میشود. سپس حرکت پیستون توسط یک محور به فنجانی منتقل و سبب جلو یا عقب رفتن آن شده و در نتیجه مقدار پیش افتادن یا تاخیر در زاویه میل بادامک تنظیم میشود. به عبارت دیگر اگر مطابق شکل سامانه مدیریت موتور فرمان ورود روغن به حفره سبز رنگ را صادر کند، پیستون به طرف میل بادامک حرکت کرده و فنجانی را هم به طرف میل بادامک میراند. در نتیجه موجب پیش افتادگی در زاویه باز و بسته شدن سوپاپها خواهد شد. به این ترتیب تغییر پیوسته زمانبندی سوپاپها براساس موقعیت قرارگیری فنجانی بدست میآید.

مثال۲

میل بادامک متغیر هوشمند تویوتا در مدلهای مختلف خودروها، از تینی واریس Tiny Yaris تا سوپرا Supra نصب و مورد استفاده میباشد. این مکانیزم کم و بیش شبیه سیستم بکار رفته در BMW است ضمن آنکه تغییر پیوسته زمانبندی سوپاپها را نیز شامل میشود. با این وجود استفاده از لغت هوشمند بخاطر هوشمندی برنامه کنترل آن است. بطوریکه علاوه بر تغییر پیوسته زاویه بادامک براساس سرعت موتور، تغییر آن براساس عوامل دیگر مانند شتاب، شیب روی بطرف بالا و پایین را نیز شامل میشود.

۲. سازوکار تعویض بادامک

شرکت هوندا در دهه ۸۰ میلادی با ارائه سیستم معروف به VTEC پیشگام استفاده از VVT در خودروهای سواری محسوب میشود. این عنوان در واقع مخفف Valve Timing Electronic Control بوده و برای اولین بار در خودروی Civic CRX و Civic NS-X مورد استفاده قرار گرفت و پس ا آن برروی سایر مدلها رایج گردید.

این سیستم در واقع از دو سری بادامک با شکل نیمرخ تشکیل شده تا زمانبندی متفاوتی را تولید نماید. یک سری از بادامکها در شرایط عادی و سرعت کمتر از ۴۵۰۰ دور در دقیقه مورد استفاده قرار میگیرد. مجموعه دیگر بادامکها مربوط به سرعت بیشتر است. بدیهی است که چنین سازوکاری قادر به تغییر پیوسته زمانبندی دریچه ها نیست و در نتیجه در سرعت کمتر از ۴۵۰۰ دور در دقیقه خودرو حرکت نرمی داشته و در سرعت بیشتر از آن بطور ناگهانی اوضاع تغییر میکند.

این مجموعه توان بیشینه را افزایش داده و سرعت دورانی بیشینه موتور را مانند یک خودروی مجهز به میل بادامک مسابقهای، به بیش از ۸۰۰۰ دور دقیقه میرساند و موجب میشود تا در یک موتور ۱۶۰۰ سی سی توان بیشینه ۳۰ اسب بخار افزایش یابد.

با این وجود برای رسیدن به چنین توان قابل توجهی باید سرعت موتور از مقدار معینی بیشتر باشد و رسیدن به آن نیازمند تعویض دنده مکرر خواهد بود. شرکت هوندا اخیرا در برخی مدلها سیستم VTEC دو مرحلهای را به یک سیستم ۳ مرحلهای توسعه داده است. اگرچه این مجموعه همچنان نسبت به سیستمهای تغییر پیوسته زاویه بادامک ضعیفتر میباشد ولی چون میتواند ارتفاع گشودگی سوپاپها را نیز تغییر دهد، یک سازوکار VVT قدرتمند محسوب میشود.

فهرست انواع خودروها با سازوکار تعویض بادامک

Honda VTEC

Mitsubishi MIVEC

Nissan Neo VVL

مثال۱

آخرین سیستم ۳ مرحلهای VTEC برروی خودروی Civic با موتور تک میل بادامک رو در ژاپن بکار رفته است. این سازوکار دارای ۳ بادامک با زمانبندی و بر آمدگی مختلف است. لازم به ذکر است که ابعاد و شکل نیمرخ بادامکها نیز با یکدیگر متفاوت میباشد. به عبارت دیگر بادامک سمت راست دارای نیمرخ با بر آمدگی متوسط و سرعت باز و بسته شدن آرام، بادامک سمت چپ دارای نیمرخ با بر آمدگی کم و سرعت باز و بسته شدن آرام، و بادامک میانی دارای نیمرخ با بر آمدگی زیاد و سرعت باز و بسته شدن تند است.

Nissan Neo VVL

این مجموعه بسیار شبیه سیستم بکار رفته در هوندا بوده ولی بادامکهای سمت چپ و راست دارای منحنی نیمرخ یکسانی هستند. در سرعت کم هر دو بازو مستقل از هم عمل کرده و رعت حرکت آرامتر و گشودگی کمتر سوپاپها را موجب میشود و در سرعت بالا هر سه بازو به یکدیگر متصل شده و سرعت حرکت تندتر و گشودگی بیشتر سوپاپها را موجب میشود. شاید تصور کنید که این سازوکار یک

سازوکار دو مرحلهای است، در صورتیکه مشابه همین سازوکار برای میلبادامک دود نیز وجود داشته و در نتیجه ۳ مرحله به شرح ذیل قابل دسترسی میباشد:

۱٫ در سرعت کم هر دو سوپاپ دود و هوا در وضع آرام هستند.

۲٫ در سرعت متوسط سوپاپ هوا در وضع تند و سوپاپ دود در وضع آرام است

۳٫ در سرعت تند هر دو سوپاپ دود و هوا در وضع تند هستند.