چگونه زمانبندی متغیر سوپاپها، بازدهی موتور را در هر سرعتی به حداکثر میرساند
سیستم زمانبندی متغیر سوپاپها (VVT) با تغییر زمان و میزان باز شدن سوپاپها، کاری میکند که یک موتور واحد در سرعتهای پایین مثل یک کروزر پرقدرت و در دور موتورهای بالا مثل یک موتور اسپرت مسابقهای عمل کند. این سیستم با تنظیم هوشمند جریان هوا، بدون فدا کردن مصرف سوخت یا افزایش آلایندگی، بازدهی موتور را به اوج میرساند.
به قلم ایمان وزیری
این خبر را به اشتراک بگذارید
- مهندسان پیشرانه
- تمرکز بر به حداکثر رساندن بازدهی ترمودینامیکی و گسترش منحنی گشتاور در تمام سرعتهای موتور.
- قانونگذاران آلایندگی
- اولویت دادن به کاهش هیدروکربنهای نسوخته و آلایندگیهای استارت سرد از طریق کنترل دقیق همپوشانی سوپاپها.
- طرفداران مکانیک سنتی
- ارزش قائل شدن برای سادگی، وزن کم و انتقال قدرت خطی به جای بازدهی بالا و سیستمهای پیچیده هیدرولیکی.
دیدگاههایی که این گزارش پوشش نداده
- مکانیکهای مستقل موتورسیکلت که با عیبیابی و خرابیهای سیستم VVT دستوپنجه نرم میکنند.
- خریداران با بودجه محدود که توانایی پرداخت هزینه برای معماریهای پیچیده موتور را ندارند.
سیستمهای زمانبندی متغیر سوپاپ (VVT) و تغییر میزان باز شدن آنها، با تغییر فیزیکی پروفایل یا موقعیت میلسوپاپ در حین کارکرد موتور، بازدهی حجمی آن را بهینه میکنند. این یعنی سیلندرها دقیقاً همان مقدار هوایی را میمکند که در هر سرعتی نیاز دارند. به جای اینکه موتورسوار مجبور باشد بین قدرت در دورهای پایین برای ترافیک شهری و شتاب در دورهای بالا برای سبقت در جاده یکی را انتخاب کند، VVT به یک موتور واحد اجازه میدهد تا به نرمی بین دو حالت کاملاً متفاوت تغییر وضعیت دهد.[7]
برای خریداری که در حال بررسی یک موتورسیکلت یا خودروی مدرن است، این تغییر مکانیکی، تجربه مالکیت را از اساس دگرگون میکند. یک موتور سنتی با میلسوپاپ ثابت، تنها در یک بازه محدود ۱۵۰۰ دوری به حداکثر بازدهی حجمی خود (یعنی نسبت هوای کشیده شده به داخل سیلندر در مقایسه با ظرفیت فیزیکی کل آن) میرسد. خارج از این محدوده، موتور یا به دلیل کمبود هوا خفه کار میکند یا با باز نگه داشتن بیش از حد سوپاپها، سوخت را هدر میدهد.[7]
مهندسان این مشکل را با جدا کردن زمانبندی سوپاپها از چرخش ثابت میللنگ حل کردهاند. بر اساس بررسی سیستمهای محرک که توسط انجمن مهندسان خودرو (SAE International) منتشر شده است، سیستمهای متغیر سوپاپ میتوانند با آوانس (زودتر بستن) یا ریتارد (دیرتر بستن) سوپاپ هوا، گشتاور موتور را در تمام دورها بهینه کنند.[3]
رایجترین روش، تغییر فاز میلسوپاپ است. در سرعتهای پایین، این سیستم میلسوپاپ هوا را تا ۴۰ درجه آوانس میکند و سوپاپ هوا را زودتر میبندد. این کار از پسزدن مخلوط هوا و سوخت به داخل منیفولد هوا در هنگام بالا آمدن پیستون جلوگیری میکند؛ در نتیجه گشتاور در دورهای پایین حفظ شده و موتور در ترافیکهای سنگین، نرم و پایدار کار میکند.[1]
وقتی موتورسوار گاز میدهد و دور موتور از ۶۰۰۰ دور در دقیقه عبور میکند، سیستم زمانبندی را ریتارد میکند. سوپاپهای هوا مدت بیشتری باز میمانند و از تکانه ستون هوای ورودی استفاده میکنند تا حتی زمانی که پیستون در حال فشردهسازی است، اکسیژن بیشتری را به داخل سیلندر بفرستند.[1][3]
این تنظیمات پویا مستقیماً روی آلایندگی خروجی از اگزوز تأثیر میگذارد. مجله بینالمللی تحقیقات علمی و مهندسی (International Journal of Scientific and Engineering Research) اشاره میکند که سیستم VVT با به حداقل رساندن همپوشانی سوپاپها (زمان کوتاهی که هر دو سوپاپ دود و هوا همزمان باز هستند)، انتشار هیدروکربنهای نسوخته در حالت درجا را تا ۲۵ درصد کاهش میدهد.[4]
در حالی که زمانبندی تعیین میکند سوپاپ چه زمانی باز شود، سیستم متغیر میزان باز شدن (Lift) مشخص میکند که سوپاپ چقدر باز شود. سیستم Valvetronic شرکت بیامو (BMW) که جزئیات آن در نشریه MTZ Worldwide آمده است، دریچه گاز سنتی را کاملاً حذف کرده و به جای آن، میزان باز شدن سوپاپ هوا را به طور پیوسته بین ۰.۳ میلیمتر تا ۹.۷ میلیمتر تغییر میدهد.[2]
در حالی که زمانبندی تعیین میکند سوپاپ چه زمانی باز شود، سیستم متغیر میزان باز شدن (Lift) مشخص میکند که سوپاپ چقدر باز شود.
برای موتورسوار، حذف دریچه گاز به معنای از بین رفتن یکی از عوامل اصلی هدررفت انرژی است؛ یعنی انرژیای که موتور صرف میکند تا هوا را از یک دریچه نیمهبسته به داخل بکشد. این تغییر، مصرف سوخت را در رانندگیهای با گاز نیمه تا ۱۰ درصد بهبود میبخشد و مسافت قابل پیمایش با یک باک را افزایش میدهد.[2][7]
این مزایا تنها به موتورهای بنزینی تنفس طبیعی محدود نمیشود. مطالعهای در سال ۲۰۱۸ در نشریه مرزها در مهندسی مکانیک (Frontiers in Mechanical Engineering) نشان داد که استفاده از استراتژیهای کاربردی سوپاپ در سرعتها و بارهای بالا، بازدهی حجمی را از طریق تنظیم سوپاپ هوا بهبود میبخشد و به موتورها اجازه میدهد تا منحنی گشتاور یکنواختی را تا محدوده ردلاین (خط قرمز دور موتور) حفظ کنند.[5]
به طور مشابه، مدلهای فیزیکی برای موتورهای دیزلی نشان میدهند که فعالسازی متغیر سوپاپ هوا، نسبت هوا به سوخت را در زیر بارهای سنگین بهینه میکند و کارایی این معماری را در انواع مختلف سوخت و چرخههای احتراق به اثبات میرساند.[6]
اجماع مهندسان بر روی اهمیت سازگاری تأکید دارد. همانطور که محققان در مجموعه مقالات مؤسسه مهندسان مکانیک (Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers) بیان میکنند: «زمانبندی ایدهآل سوپاپ تابعی از سرعت موتور، بار و دمای کارکرد است؛ بنابراین، متغیر بودن پیوسته، هدف نهایی برای بازدهی موتورهای احتراق داخلی است.»[1]
با این حال، این انعطافپذیری پیچیدگیهای مکانیکی قابلتوجهی را به همراه دارد. سیستم VVT عملگرهای هیدرولیکی، شیرهای برقی و مجاری روغن اضافی را به سرسیلندر اضافه میکند. این موضوع هزینههای تولید را تقریباً ۳۰۰ تا ۵۰۰ دلار به ازای هر موتور افزایش میدهد و نقاط خرابی جدیدی را ایجاد میکند که به فشار و گرانروی روغن حساس هستند.[7]
برای مالک وسیله نقلیه، این بدان معناست که رعایت دقیق زمانبندی تعویض روغن دیگر یک انتخاب نیست، بلکه یک الزام است. تجمع لجن یا روغن بیکیفیت میتواند توریهای ظریف محافظ شیرهای برقی VVT را مسدود کند، میلسوپاپ را در یک وضعیت پیشفرض قفل کرده و علاوه بر روشن کردن چراغ چک موتور، افت قدرت محسوسی را به همراه داشته باشد.[7]
در بازار موتورسیکلت، محدودیتهای فضا همواره مانعی برای استفاده از VVT بوده است. سرسیلندرهای یک موتور اسپرت ۱۰۰۰ سیسی بسیار فشرده هستند و اضافه کردن تغییردهندههای فاز هیدرولیکی، وزن قسمت بالایی موتور را افزایش میدهد. با این وجود، سازندگانی مانند دوکاتی (Ducati) و سوزوکی (Suzuki) سیستمهای گریز از مرکز و هیدرولیکیای طراحی کردهاند که در این فضاهای تنگ جا میگیرند و به یک سوپربایک ۲۰۰ اسب بخاری اجازه میدهند تا ضمن پاس کردن استانداردهای سختگیرانه آلایندگی یورو ۵، در سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت نیز کاملاً رام و قابل کنترل باشد.[7]
گذار به سمت سیستمهای متغیر سوپاپ، نمایانگر مرز نهایی بهینهسازی در موتورهای احتراق داخلی است. تولیدکنندگان با تغییر فیزیکی ویژگیهای تنفسی موتور در لحظه، حداکثر انرژی جنبشی ممکن را از هر قطره سوخت استخراج میکنند و پیش از آنکه برقیسازی به تنها راه باقیمانده برای افزایش بازدهی تبدیل شود، مرزهای توانایی یک موتور با حجم مشخص را جابهجا میکنند.[7]
نکات کلیدی
- سیستم زمانبندی متغیر سوپاپها (VVT) به موتور اجازه میدهد تا تنفس خود را به صورت پویا تغییر داده و بازدهی را در تمام سرعتها به حداکثر برساند.
- تغییر فاز میلسوپاپ، زمان باز شدن سوپاپها را تنظیم میکند که باعث حفظ گشتاور در دورهای پایین و کارکرد نرم موتور در ترافیکهای سنگین میشود.
- سیستمهای متغیر میزان باز شدن سوپاپ میتوانند دریچه گاز را کاملاً حذف کنند، که این کار هدررفت انرژی را کاهش داده و مصرف سوخت را در حالت نیمهگاز تا ۱۰ درصد بهبود میبخشد.
- سیستم VVT با به حداقل رساندن همپوشانی سوپاپها در دورهای پایین، انتشار هیدروکربنهای نسوخته را کاهش میدهد.
بررسی عمیق دیدگاهها
طرفداران مکانیک سنتی
استدلال میکنند که پیچیدگی و وزن اضافه سیستمهای VVT، پاسخگویی خام و قابل پیشبینی یک موتور با میلسوپاپ ثابت را از بین میبرد.
برای موتورسواران پیست و افراد سنتگرا، یک میلسوپاپ ثابت قدرت را به شکلی خطی و قابل پیشبینی منتقل میکند، بدون آنکه در وسط پیچ با تغییر ناگهانی پروفایل سیستم VVT مواجه شوند. آنها به افزایش هزینههای نگهداری، وابستگی به شیرهای برقی حساس هیدرولیکی و وزن اضافه در قسمت بالای موتور اشاره میکنند و این موارد را برای وسایل نقلیهای که بیشتر برای عملکرد در دورهای بالا طراحی شدهاند تا رفتوآمدهای شهری، سازشهایی غیرضروری میدانند.
قانونگذاران آلایندگی
فعالسازی متغیر سوپاپها را به عنوان یک فناوری واسط و الزامی برای رعایت استانداردهای سختگیرانه کیفیت هوا میبینند.
نهادهای نظارتی و مهندسان محیط زیست بر مزایای VVT در زمان استارت سرد و کارکرد درجا تمرکز دارند. این سیستمها با حذف همپوشانی سوپاپها در سرعتهای پایین، از خروج هیدروکربنهای نسوخته به داخل اگزوز پیش از رسیدن مبدل کاتالیزوری به دمای کاری جلوگیری میکنند. از این منظر، VVT تنها یک بهبود عملکرد نیست، بلکه یک ابزار حیاتی برای انطباق با قوانین است که موتورهای احتراق داخلی را تحت استانداردهای یورو ۵ و یورو ۶ آینده زنده نگه میدارد.
مهندسان پیشرانه
سیستم VVT را به عنوان ابزار نهایی برای به حداکثر رساندن بازدهی ترمودینامیکی یک سیلندر با حجم مشخص میدانند.
طراحان موتور، میلسوپاپهای ثابت را یک نقص آیرودینامیکی غیرقابل قبول میدانند. مهندسان با جدا کردن زمانبندی سوپاپها از میللنگ، میتوانند یک بلوک موتور واحد را برای پلتفرمهای مختلف وسایل نقلیه تنظیم کنند؛ از یک موتورسیکلت تورینگ سنگین که به گشتاور در دور پایین نیاز دارد تا یک موتور اسپرت سبکوزن که تشنه حداکثر اسب بخار است. آنها استدلال میکنند که هزینه تولید با قابلیت یکپارچهسازی معماری موتورها در خط تولید یک برند جبران میشود.
چرا مهم است
برای شما به عنوان یک خریدار یا موتورسوار، سیستم سوپاپها تعیین میکند که آیا موتورسیکلتتان در شروع حرکت کند و تنبل است یا در ترافیک بیش از حد وحشی و غیرقابل کنترل. زمانبندی متغیر سوپاپها این مشکل را حل میکند؛ به طوری که هم در رفتوآمدهای شهری قدرتی نرم و قابل پیشبینی دارید و هم در سبقتهای جادهای، شتابی بینظیر را تجربه میکنید.
منابع
پوشش منابع
7 منبع
3 دیدگاه شناساییشده
- [1]Proceedings of the Institution of Mechanical Engineersمهندسان پیشرانه
Review and analysis of variable valve timing strategies—Eight ways to approach
مطالعه در Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers → - [2]MTZ worldwideطرفداران مکانیک سنتی
Further development of BMW's fully-variable valve control system valvetronic
مطالعه در MTZ worldwide → - [3]SAE Internationalمهندسان پیشرانه
Variable Valve Actuation Systems for the Optimization of Engine Torque
مطالعه در SAE International → - [4]International Journal of Scientific and Engineering Researchقانونگذاران آلایندگی
The Effect of Variable Valve Timing on SIE Performance and Emissions
مطالعه در International Journal of Scientific and Engineering Research → - [5]Frontiers in Mechanical Engineeringمهندسان پیشرانه
Utilizing Production Viable Valve Strategies at Elevated Speeds and Loads to Improve Volumetric Efficiency via Intake Valve Modulation
مطالعه در Frontiers in Mechanical Engineering → - [6]International Journal of Engine Research
Physically based volumetric efficiency model for diesel engines utilizing variable intake valve actuation
مطالعه در International Journal of Engine Research → - [7]تیم سردبیری کوهستان
تحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
نظرات
بیشتر در خودرو
مشاهده همه →بهرهوری پیشرانه
هدررفت ۶۰ درصدی انرژی از چاه تا چرخ: چرا خودروهای هیدروژنی در بهرهوری از خودروهای برقی جا میمانند؟
6 منبع
آیرودینامیک فعال
چگونه آیرودینامیک فعال جایگزین بالههای ثابت در ابرخودروهای الکتریکی میشود
6 منبع
شیمی باتری
تغییر ساختار باتریها که به صاحبان خودروهای برقی اجازه میدهد هر شب تا ۱۰۰ درصد شارژ کنند
5 منبع
برقیسازی ناوگان
شارژ مگاواتی سیار در مقابل زیرساخت ثابت: اقتصاد برقرسانی به ناوگان کامیونهای برقی سنگین
7 منبع
هر زاویه. هر روز.
دریافت خودرو اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاهها، مستقیم در صندوق ورودی شما.