با اختراع موتور بخار که به وقوع انقلاب صنعتی اروپا انجامید و پس از آن موتورهای درون سوز و توسعه و تنوع کاربردی آنها، متخصصان و دانشمندان، همواره کوشیده‏اند تا با افزایش کارایی، بخشی از خسارات سنگینی را که آلایندگی حاصل از این سیستم ها به طبیعت وارد خواهد كرد جبران کنند و برخورد با بحران پایان یافتن ذخایر سوخت فسیلی را مدت زمانی نه‏چندان دراز به تعویق اندازند.
گذشته از طرح‏هایی که در جهت حذف موتورهای با سوخت فسیلی ارائه شده‏اند، طرح‏ها و ایده‏های بسیاری برای افزایش کارایی و بازدهی موتورها، افزایش کیفیت قطعات (ورود علم متالوژی) و نوع سوخت (پتروشیمی)، کیفیت طراحی مهندسی (علم مکانیک)، حضور صنعت رایانه در مرحله طراحی قطعات و مدیریت عملکرد موتور و اعمال استانداردهای جهانی که تعریف مشخصی از کیفیت موتورهای درون‏سوز را ارائه داده‏اند، اجرا شده‏اند و باعث ارتباط و انسجام انکارناپذیر صنعت خودرو با دیگر صنایع پایه‏ای و مادر شده‏اند.
این طرح، بیان نوآوری به منظور بهبود کارکرد موتورهای درون‌سوز چهار زمانه با تغییر در نحوه کار سوپاپ‏ها می‏باشد. این بهینه‏سازی به شکل تغییر در میزان باز و بسته شدن سوپاپ‏ها در شرایط متفاوت کارکرد موتور، در دورهای پایین و بالا در این پروژه، انجام شده است. به همین دلیل از این طرح با عنوان VOV یاد شده است. VOV، حروف اول سه کلمه انگلیسی variable opening valve و به معنی سوپاپی (دریچه‏ای) است که میزان باز و بسته‏شدن آن متغیر است. این طرح باعث سرعت و سهولت بخشی به‏کار پیستون‏ها هنگام مکش سوخت و هوا و تخلیه دود شده و در نتیجه تاثیری چشم‏گیر، برقدرت و شتاب موتور بویژه در دورهای بالا می‏گذارد.
همچنین حجم زیادی از قطعات به کار رفته در سیستم‏های دیگری که برای رفع این نقیصه (گرفته شدن مقداری از انرژی پیستون و در نتیجه میل‌لنگ و در نهایت موتور به هنگام انجام مراحل مکش و تخلیه به‏خصوص در دورهای بالا) طراحی شده‏اند را کاهش داده و برکارایی آنها افزوده است.

نگاهی گذرا به سیستم vov و مشکلات و کاستی‏های سیستم کنونی
هنگامی که راننده پای خود را بر روی پدال گاز می‏فشارد، با چرخش پولک دریچه گاز و بازشدن آن، تعداد دورهای موتور بر دقیقه افزایش می‏یابد. این سیستم با افزایش دور موتور، سوپاپ‏ها را بیشتر می‏فشارد (فنر سوپاپ‏ها را جمع‏تر می‏کند) تا با بازتر شدن دریچه‏ها، عمل مکش و تخلیه در موتور توسط پیستون‏ها سریع‏تر انجام شود. زیرا هنگامی که موتور با دور بیشتری می‏چرخد پیستون‏ها عمل مکش و تخلیه را در مدت زمان کمتری انجام می‏دهند و اگر دریچه‏ها و سوپاپ‏ها به گونه‏ای باشند که پیستون در مدت زمان مشخص نتواند مخلوط هوا و سوخت را به سیلندر بکشد یا دود را از آن خارج کند، به ناچار آن را در دوره‏ زمانی طولانی‏تری انجام می‏دهد و چون پیستون برای انجام مراحلی که کار مکانیکی انجام نمی‏دهد، (یعنی مراحلی که در موتور انرژی شیمیایی به انرژی مکانیکی تبدیل نمی‏شود که عبارتند از: مکش، تراکم و تخلیه) انرژی و نیروی مورد نیاز خود را از راه میل لنگ از سیلندرهای (پیستون‏های) دیگر می‏گیرد، شتاب و قدرت موتور کاسته خواهد شد.
سیستم فعلی موجود برای رفع مشکل یاد شده به این صورت است که در آن به جای آن که در سرسیلندر، برای هر سیلندر یک دریچه تنفس (برای ورود هوا و سوخت) و یک دریچه دود (برای خروج دود و گازهای حاصل از احتراق سوخت) وجود داشته باشد (مانند موتورهای پیکان، پژو مدل GLX و... شكل 1) دو دریچه تنفس و دو دریچه دود (موتور پژو پارس مدل ELX. شكل2) یا دو دریچه تنفس و یك دریچه دود (موتور هیوندای، مدل ورنا. شكل3) و یا سه دریچه تنفس و دو دریچه ی دود (سیستم معمولا در موتور خودروهای سوپر اسپرت به كار گرفته می‏شود) وجود دارد. شكل4. هرچند این سیستم، مشكل را تا اندازه‏ای زیاد حل می‏كند و با ایجاد فضای كافی در دریچه‏ها از طریق تعدد آنها كار پیستون را برای مكش و تخلیه آسان‏تر ساخته است، اما معایبی نیز دارد كه عبارتند از:
1. افزایش سایش و اصطكاك به دلیل ازدیاد قطعات موتور (افزایش سوپاپ‏ها، فنر سوپاپ و درمواردی تعداد میل بادامك‏ها و اسبك‏ها)
2. فرسودگی زودرس به دلیل افزایش اصطكاك و ایجاد حفره‏ها (سیت‏ها، نشیمنگاه‏ها) یا دریچه و افزایش احتمال خطا، نشتی و آب‌بندی سوپاپ‏ها.
3. پیچیدگی سرسیلندر و مشكلاتی كه این پیچیدگی در تعمیرات موتور و روان‌سازی (روغن‌كاری) قطعات ایجاد می‏كند.

 

 

 

 

 

 

 

شكل 1

 

 

 

 

 

 

 

شكل 2

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 3

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 4


تعدد سوپاپ‏ها باعث افزایش متعلقات سوپاپ از جمله فنر سوپاپ، پولكی سوپاپ، خار سوپاپ، سیت،گیت، واشر گیت و ... خواهد شد و این امر موجب پیچیدگی سرسیلندر می‏شود. همچنین به علت زیاد شدن شمار سوپاپ‏ها در سرسیلندر، فضای كافی برای قرار گرفتن سوپاپ‏ها به صورت ردیفی و در یك ردیف باقی نمی‏ماند و سوپاپ‏ها به ناچار در دو یا حتی سه ردیف قرار می‏گیرند. طبعاً تعداد میل بادامك‏ها نیز به دو یا سه عدد افزایش خواهد یافت كه باعث افزوده شدن اصطكاك و سایش می‏شود. از آنجا كه در این گونه سیستم‏ها و اصولاً در موتورهایی كه جدیداً طراحی می‏شوند، میل بادامك‏ها در سرسیلندر قرار دارند و پیچیدگی سرسیلندر به نهایت خود می‏رسد.
با افزایش قطعات متحرك، در دستگاه‏های مكانیكی، اصطكاك افزوده می‏شود و به تبع آن فرسودگی و استهلاك زودتر به سراغ دستگاه خواهد آمد. در این مورد نیز با افزایش تعداد میل بادامك‏ها، به شمار بادامك‏ها افزوده خواهد شد و در پی آن سایش و اصطكاك بین بادامك‏ها و پولكی‏های سوپاپ‏ها و یاتاقان‏های میل بادامك‏ها بیشتر خواهد شد. بنابراین به ناچار برای دفع این سایش و حرارت ناشی از آن سیستم روغن‏‌كاری و مجراهای عبور روغن موجود در سرسیلندر، پیچیده‏تر شده و پمپ روغن باید به گونه‏ای تقویت شود كه در روغن رسانی به قطعات اضافه، دچار مشكل نشود.
مشكل دیگری كه تعدد سوپاپ‏ها ایجاد می‏كند، آسیب‏پذیرتر شدن سرسیلندر در برابر ضربات و فشار ناشی از انفجارهای متعدد در اتاقك انفجار است. زیرا هنگامی كه در سرسیلندر، در بالای هر سیلندر به جای 2 سوپاپ، 3/4 یا 5 سوپاپ، 3/4 یا 5 سیت یا حفره وجود داشته باشد از مقاومت و استحكام سرسیلندر كاسته شده و درصد احتمال خطا و نشتی در آب‏بندی سوپاپ‏ها، افزایش می‏یابد. عامل دیگری كه باعث تمایز سیستم vov از سیستم كنونی می‏شود، تنظیم میزان مصرف سوخت در سرعت‏های مختلف موتور است. موتورهای معمولی كاربراتور (انژكتور) و سیستم آوانس خلائی هر یك به گونه‏ای مقدار سوخت مصرفی موتور را با توجه به سرعت آن تنظیم می‏كنند، اما در موتوری كه به سیستم vov مجهز شده است، سوپاپ‏ها نیز در تنظیم میزان مصرف سوخت، نقش دارند. به گونه‏ای كه مقدار سوخت مخلوط با هوا با عبور از دریچه‏هایی كه میزان باز و بسته‏شدن آنها با تغییر سرعت چرخش موتور تغییر می‏كند، برای مصرف موتور و احتراق، تنظیم می‏شود. به این ترتیب كارایی موتور به نسبت مصرف آن افزایش می‏یابد. درحالی كه سیستم فعلی فاقد چنین امكانی است.

طرز كار سیستم VOV
در سیستم vov میل بادامك در سرسیلندر قرار دارد و به واسطه یك اهرم، نیروی خود را به سوپاپ‏ها منتقل می‏كند، اما اهرم‏ها یا اسبك‏های سیستم vov با اسبك‏های موجود در موتورهای فعلی متفاوت است. قسمت انتهایی اسبك كه محل اعمال نیرو از طرف بادامك‏ها به آن می‏باشد، كشیده و به‏صورت ریلی است، بادامك‏ها به راحتی زیر آن سر می‏خورند و به عقب و جلو می‏روند، بدون آنكه خللی در روند انتقال نیروی آنها به اسبك‏ها وارد شود (شكل5).

 

 

 

 

 

 

 

شكل 5


تكیه‏گاه این اهرم (اسبك) كه میل اسبك است ثابت بوده و محل سوپاپ‏ها تغییر نمی‏كند. بنابراین بازوی كارگر این اهرم ثابت است. اگر میل بادامك - كه موازی میل اسبك است - در راستای عمود بر میل اسبك به عقب و جلو برود (شكل6). بازوی مقاوم اهرم، كوچك‏تر یا بزرگ‏تر می‏شود. بنابراین دامنه نوسان سوپاپ‏ها تغییر می‏كند و در نتیجه میزان باز شدن دریچه‏ها قابل تغییر است. به گونه‏ای كه هر چه فاصله میل بادامك از میل اسبك كمتر باشد، سوپاپ‏ها بیشتر فشرده می‏شوند و با دامنه بیشتری نوسان می‏كنند و هر چه میل بادامك از میل اسبك دورتر شود، دامنه نوسان كاسته شده و درحقیقت دریچه كمتر باز می‏شود. در این هنگام اگر سرعت چرخش میل‏ لنگ، افزایش یابد vov میل‏ بادامك را به میل اسبك نزدیك‏تر می‏كند و به همان نسبت اگر سرعت چرخش میل ‏لنگ كاهش یابد، میل بادامك را از میل اسبك دور می‏كند. (شكل7). مسئله‏ای كه وجود دارد این است كه چگونه می‏توان نیرو را از میل‏لنگ به میل بادامك در حالی كه هم حركت وضعی (چرخش به دور خود) و هم حركت انتقالی (حركت به عقب و جلو در راستای عمود بر میل اسبك) دارد منتقل كرد. به گونه‏ای كه تایمینگ میل بادامك و در نهایت سوپاپ‏ها به هم نخورد.

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 6

 

 

 

 

 

 

 

شكل 7


این مشكل با قرار دادن چند چرخ‏دنده مخروطی و محوری كشویی در راه انتقال نیرو و حركت از میل‏ لنگ به بادامك حل شده است. به این صورت كه چرخ‏دنده میل لنگ توسط زنجیری چرخ‏دنده‏ای كه قطر آن 2 برابر قطر خود است و محور آن (محور زرد رنگ) در سر سیلندر قرار دارد را به چرخش در می‏آورد. به این ترتیب، نیرو از سیلندر به سرسیلندر كه محل قرار گرفتن اسبك‏ها و میل بادامك می‏باشد منتقل می‏شود و تعداد دورهای میل بادامك نسبت به میل لنگ (1 به 2) نیز تنظیم می‏شود. روی محور زرد رنگ كه موازی میل بادامك است، چرخ‏دنده‏ای مخروطی با شیب دامنه 45 درجه قرار دارد. (چرخ‏دنده قرمز). روی محور دیگری (محور خاكستری) كه بر محور زرد رنگ عمود است، چرخ‏دنده‏ای یكسان با چرخ‏دنده مخروطی روی محور زرد قرار دارد (چرخ‏دنده آبی). این دو چرخ‏دنده با یكدیگر درگیر می‏شوند و از آنجا كه شیب دامنه‏های آنها متمم یكدیگرند، محور چرخش 90 درجه تغییر می‏كند و بر میل بادامك عمود می‏شود. عملكرد این چرخ‏دنده‏ها در تغییر 90 درجه‏ای محور چرخش نظیر عملكرد دیفرانسیل در تغییر 90 درجه‏ای چرخ‏ها (اكس‏ها) و میل گاردون توسط پینیون و كرانویل می‏باشد. با این تفاوت كه در اینجا برخلاف دیفرانسیل، تغییری در نسبت چرخش یك محور به محور عمود برآن به وجود نیامده و نسبت چرخش دو محور عمود بر هم یك می‏باشد.
در انتهای محور خاكستری رنگ، چرخ‏دنده مخروطی دیگر (چرخدنده نارنجی) وجود دارد كه با چرخ‏دنده مخروطی متصل به انتهای میل بادامك (چرخ‏دنده سبز) درگیر است. به این ترتیب، محور چرخش دوباره 90 درجه تغییر می‏كند و به حالت اول باز می‏گردد. زیرا این چهار چرخ‏دنده (قرمز، سبز، نارنجی و آبی) كاملاً یكسان هستند و نسبت چرخش محور مبدا (محور زرد رنگ) به محور مقصد (میل بادامك) یك است. یعنی با یك دور چرخش محور زرد، میل بادامك یك دور می‏چرخد (شكل8).

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 8


محور خاکستری که در دو طرف آن چرخ دنده‏های مخروطی نارنجی و آبی قرار دارند، محوری کشویی است. به این ترتیب، طول محور خاکستری رنگ در حین چرخش می‏تواند کم یا زیاد شود و چرخ دنده نارنجی و به تبع آن چرخ‏دنده میل بادامک و در نهایت میل بادامک را به عقب و جلو ببرد. همچنین نیرو و چرخش را از محور زرد به میل بادامک منتقل کند. (شكل9)

 

 

 

 

 

 

 

شكل 9


دستگاهی که در ادامه معرفی خواهد شد، با حرکت دادن کشوی یک سینی که مجموعه میل بادامک و یاتاقان‏های آن و نیمی از محور کشویی که چرخ دنده مخروطی سبز به آن متصل است و یاتاقان آن (یاتاقان سفید) روی آن قرار دارد، میل بادامک را - به منظور تنظیم میزان باز شدن سوپاپ‏ها با توجه به سرعت چرخش میل‌لنگ- از میل اسبک دور ساخته یا به آن نزدیک می‏کند(شكل10).

 

 

 

 

 

شكل 10


هنگامی که موتور روشن است، پولی یا قرقره‏ای که به گردن میل‌لنگ متصل است می‏چرخد و نیروی آن توسط تسمه - یا تسمه‏هایی - به پولی‏های دینام، واترپمپ، کولر، پمپ هیدرولیک فرمان و در موتورهای فاقد فن الکتریکی برای خنک کردن رادیاتور، به پروانه منتقل می‏شود و آنها را به چرخش در می‏آورد (شكل11). در سیستم vov قسمتی از انرژی الکتریکی تولید شده توسط دینام، موتور الکتریکی را که روی سرسیلندر واقع است فعال می‏کند (شكل 12). وضعیت این موتور الکتریکی روی سرسیلندر به گونه‏ای است که محور آن بر میل بادامک عمود بوده و به یک مارپیچ متصل است. با حرکت محور، موتور الکتریکی مارپیچ به چرخش درآمده و چرخ‏دنده‏ای را که با آن درگیر است به حرکت در می‏آورد. این چرخ‏دنده با یک دنده شانه‏ای درگیر است با چرخش این چرخ‏دنده توسط مارپیچ، دنده شانه‏ای به جلو یا عقب رانده می‏شود و به این ترتیب، دنده شانه‏ای حرکت چرخشی موتور الکتریکی را به حرکت کشویی یا رفت و برگشتی، تبدیل می‏کند. از آنجا که انتهای دنده شانه‏ای به سینی متصل است، سینی نیز همراه با دنده شانه‏ای حرکت کشویی بر روی سرسیلندر خواهد داشت و موتور الکتریکی می‏تواند با چرخش خود به چپ یا راست، سینی و در نتیجه میل بادامک را در راستای عمود بر میل اسبک به میل اسبک نزدیک و یا از آن دور کند (شكل13).

 

 

 

 

 

 

شكل 11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 12

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 13


سوالی که مطرح می‏شود این است که چرا از مارپیچ و چرخ دنده در راه انتقال نیروی موتور الکتریکی به سینی استفاده شده است، در حالی که چرخ‏دنده و دنده شانه‏ای به تنهایی و بدون مارپیچ می‏توانستند حرکت چرخشی موتور الکتریکی را پس از تبدیل به حرکت رفت و برگشتی به سینی، منتقل کنند و سینی را روی سرسیلندر به میل اسبک نزدیک و یا از آن دور سازند؟ از کاربردهای مارپیچ و چرخ دنده، یک سو کردن جهت انتقال نیرو است. یعنی نیرو و حرکت از طریق مارپیچ به چرخ‏دنده، سپس به دنده شانه‏ای و در نهایت به سینی منتقل می‏شود، اما نیرویی که از چرخ‏دنده به مارپیچ منتقل می‏شود، باعث به حرکت درآمدن آن نمی‏شود. از دیگر کاربردهای مارپیچ و چرخ‏دنده، افزایش نیرو در هنگام انتقال آن با استفاده از این روش است. دلیل استفاده از این روش، در انتقال نیروی موتور الکتریکی به سینی، تقویت نیروی موتور الکتریکی در حرکت دادن سینی - به صورت کشویی - روی سرسیلندر، مهار ضربات و لرزش‏های ناشی از برخورد بادامک‏ها به اسبك‌ها و پیشگیری از انتقال این گونه نیروهای ناخواسته به موتور الکتریکی می‏باشد.
در انتهای دیگر محور موتور الکتریکی، چرخ دنده‏ای قرار دارد که با چرخ‏دنده‏ای که قطر آن دوبرابر قطر خود می‏باشد درگیر بوده و چرخ‏دنده بزرگ‏تر با دنده‏ای شانه‏ای درگیر است. این دنده شانه‏ای با چرخش موتور الکتریکی به عقب رانده می‏شود و انتهای فنری تلسکوپی را که سر دیگر آن در قسمتی از سرسیلندر ثابت شده است می‏فشارد (شكل14). در حقیقت این فنر، در مقابل چرخش موتور الکتریکی مقاومت می‏کند و در صورت کاهش سرعت چرخش میل لنگ و در نتیجه کاهش انرژی الکتریکی تولید شده توسط دینام، موتور الکتریکی را در جهت خلاف چرخش آن می‏چرخاند، به هنگام افزایش سرعت موتور، انرژی الکتریکی افزایش یافته حاصل از دینام، موتور الکتریکی دوباره فنر را از طریق چرخ‏دنده‏ها و دنده شانه‏ای می‏فشارد و در ضمن سینی و میل بادامک را نیز به میل اسبک نزدیک می‏کند (شكل15). این فرایند با تغییر سرعت چرخش موتور تکرار می‏شود و سینی و میل بادامک، در وضعیت مناسب برای حرکت دادن اسبک‏ها و باز کردن سوپاپ‏ها قرار می‏گیرند.

 

 

 

 

 

شكل 14

 

 

 

 

 

 

 

شكل 15


این فنر تلسکوپی، وظیفه برگرداندن سینی به وضعیت اول - یا دور کردن میل بادامک از میل اسبک - در صورت کاهش سرعت چرخش موتور و انرژی الکتریکی حاصل از دینام را بر عهده دارد.
برای چرخاندن مارپیچ جهت به حرکت درآوردن سینی، روش‏های مختلفی پیش‏بینی شده که تنها به توضیح روش بالا بسنده شده است. زیرا از روش‏هایی که به طور اجمالی معرفی خواهد شد، ساده‏تر و عملی‏تر به نظر می‏رسد.
یکی از این روش‏ها، استفاده از سیستم سرعت‌سنج خودرو برای چرخش مارپیچ به جای منحرف کردن عقربه سرعت‌سنج است. با این تفاوت که چرخ دنده و حلزونی سرعت سنج به جای نصب شدن به شافت گیربکس برای نشان دادن سرعت خودرو باید به میل‌لنگ نصب شده در حلزونی پشت صفحه مدرج سرعت‌سنج تقویت شده و به مارپیچ سیستم vov در سرسیلندر متصل شود. روش دیگر استفاده از سیستم دورسنج موتور است که انرژی الکتریکی خود را برای انحراف عقربه دورسنج از مدار جرقه خودرو و از طریق دلکو می‏گیرد. در این صورت می‏توان با تقویت این سیستم از نیروی مورد استفاده برای چرخش عقربه، برای چرخش مارپیچ سیستم vov استفاده کرد.
روش آخر، استفاده از پمپ هیدرولیک و جک هیدرولیک متصل به سینی است. این پمپ که نیروی خود را توسط تسمه و قرقره (پولی) از میل لنگ می‏گیرد، با افزایش سرعت چرخش موتور تقویت می‏شود و جک را فعال می‏کند تا سینی را جا به جا کند. فنری نیز در برابر جک مقاومت می‏کند و درصورت کاهش دور موتور نیروی حاصل از انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره شده در فنر به سینی و جک وارد می‏شود. در نتیجه سینی و میل بادامک را به حالت اول (دور از میل اسبک که در حالت خاموشی موتور، میل بادامک در دورترین فاصله خود از میل اسبک قرار دارد) باز می‏گرداند.

مقایسه سیستم vov با سیستم کنونی و بررسی مزیت‏های هر یک
در این مقاله، سیستمی ابداعی با عنوان vov معرفی شد. vov در مقابل سیستمی است که هم‏اکنون در بعضی موتورها استفاده می‏شود.
در مواردی استفاده از سیستم تعدد سوپاپ‏ها یا سیستم‏های معمولی، مقرون به صرفه‏تر، مناسب‏تر و کارآمدتر است. برای مثال هنگامی که یک موتور - مانند موتورهایی که برای تلمبه کردن آب از چاه‏های عمیق به سطح زمین (کفکش‏ها)- استفاده می‏شوند، باید به مدت طولانی با سرعت ثابت کار کند و شرایط پیستون‏ها به هنگام مکش و تخلیه در تغییر نیست، ضرورتی در استفاده از سیستم vov و حجم انبوه قطعات اضافی آن وجود ندارد. در ماشین‏های سنگین و نیرومند راه‏سازی و ساختمان‌سازی نظیر: جرثقیل‏ها، بولدوزرها، لودرها، تراکتورها و ... که موتور آنها به دلیل شرایط سخت کاری اغلب در دورهای بالا کار می‏کند، vov کارایی لازم را نخواهد داشت.
بنابراین سیستم ابتکاری vov برای خودروهای سواری و تندرو مناسب است که موتور آنها در شرایط مختلف رانندگی در سرعت‏های بالا یا پایین، در جاده‏ها یا شهرها و به هنگام تعویض دنده، دائماً تغییر سرعت می‏دهد و شرایط پیستون‏ها و سرعت آنها برای انجام فرایند تبدیل انرژی پتانسیل شیمیایی سوخت، به انرژی مکانیکی در حال تغییر است.

منبع : sanatekhodro.com

نوشته شده در تاریخ یکشنبه 24 آذر 1387    | توسط: Farzad Yosef-Lavi    |    |
نظرات()