تنفس هوشمند    
  
فن آوری سوپاپ متغیر تنفس نوینی به احتراق درونی داده است.
نگارنده: دنیس سیمانیتیس، آگوست 2007
برگرداننده :حسین رجبی




به احتمال بسیار مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را به یاد می آورید. معمولأ توجه زیادی به تنفس موتور، اولین و آخرین از چهار زمان کارکرد موتور، می شود. بی هیچ تردیدی، از آنجایی که مشخصه های مکش و تخلیه در تولید قدرت نهایی موتور حیاتی و مهم هستند، صرفه جویی در مصرف سوخت و کاهش گازهای آلاینده اگزوز نیز بی اهمیت نمی باشند.

از ابتدا قصد داشتم که این مقاله بررسی خودروهایی باشد که از فن آوری سوپاپ متغیر بهره می برند، که بعد متوجه شدم اغلب مردم این روزها بی اطلاع از این فن آوری نیستند. علاوه بر این، اخیرأ از کنگره جهانی SAE 2007 برگشته ام و آنجا بود که مشخص شد فن آوری سوپاپ متغیر موضوعی داغ و به روز است. پس در عوض اجازه دهید مختصر و مفید تنفس موتور را یادآوری کنم و بعد برخی از پیشرفت های آن را که در حال تولید هستند، بررسی کنیم. در ادامه گزینشی از این فن آوری ها ارائه شده است. در نهایت به امکانات و احتمالات تولیدی آینده و مورد بحث در کنگره مذکور و جاهای دیگر می پردازیم.

اصول اولیه: سوپاپ ها و میل بادامک
حرکت رفت و برگشت سوپاپ ها در نتیجه تعامل آنها با یک محور به نام میل بادامک است که دارای برجستگی های بادامی شکل بر روی آن است. این تعامل ممکن است مستقیم در تماس با بادامک بوده و یا از طریق یک اسبک سوپاپ و یا ترکیبی از اسبک و میله رابط باشد. میل بادامک ممکن است در بالا و منفرد (SOHC) و یا جفتی (DOHC)، یا پایین در بلوک سیلندر (OHV) باشد. هر یک از این نمونه ها می توانند از طریق نیروی موتور توسط زنجیر، تسمه، و یا چرخ دنده به حرکت درآیند. در یک موتور چهار زمانه سرعت دوران میل لنگ نصف سرعت دوران میل بادامک در واحد زمانی دقیقه است.



میزان برآمدگی بادامک ها نقش تنفسی هر سوپاپ را تعیین می کند. بسته به سرعت میل لنگ، هر سوپاپ میزان خاص باز و بسته شدن خود را دارد. میزان زمانی باز بودن نیز محاسبه می شود. همچنین سوپاپ هوا و تخلیه نیز دارای زمان ویژه خود در مدت باز بودن همزمان می باشند. این میزانهای زمانی خاص نمی تواند برای هر موتوری صادق باشد. به میل سوپاپ یک ماشین مسابقه ای فکر کنید. با افزایش دور موتور، حتمأ مایلید سوپاپ ها زود تر و به حد کافی باز شوند و خطاهای مکش و تخلیه به حداقل برسد. با در نظر گرفتن تغییر فشار وارده بر موتور و دیگر عوامل متوجه خواهید شد که طراحی سوپاپ و میل بادامک یک مبارزه واقعی میان خودرو سازان است.

سوپاپ های متغیر
کاربرد سوپاپ های متغیر خطاها را کاهش می دهد. هر چه طراحی این گونه سوپاپ ها بهتر باشد، سوپاپ ها نیز بدون نقص کار خود را انجام می دهند. ساده ترین متغیرها عمر تولید کوتاهی دارند: آلفا رومئو 2 لیتری DOHC مدل 1980 قطعه ای در سوپاپ هوا خود دارد که در دورهای بالاتر از 1200 دور در دقیقه زمان باز بودن سوپاپ ها را بیشتر می کند. این میل بادامک و سوپاپ دو حالته آغاز راه بکارگیری سوپاپ متغیر بود.

تغییر وضعیت ها به طور مداوم بهتر از گسسته می باشد، و فقط کمی پیچیده تر است. این عملکرد عمومأ توسط نوعی توالی هیدرولیکی پولی حاصل می شود. در بعضی موارد وضعیت ها به طور الکتریکی کنترل می شوند که از مزایای آن رفع تأخیر زمانی فشار روغن موقع استارت موتور در هوای سرد است. به یاد داشته باشید که وضعیت های متغیر میل بادامک بازه های زمانی را تغییر نمی دهد و فقط اینکه یک یا دو بادامک متناسب با میزان دوران میل لنگ، بر میل سوپاپ ها فشاری متغیر وارد می کنند و اینگونه می تواند بر میزان گشتاور تأثیر گذاشته و نهایت دور موتور را افزایش دهد.

سیستم VTEC (کنترل الکترونیکی زمان در سوپاپ های متغیر) مربوط به هوندا آکورا اولین نمونه تولیدی بود و مثال خوبی برای اینگونه سیستم ها است. هر سوپاپ دو بادامک دارد و اسبک به دنبال هر برش بادامک است. پین موجود در اسبک مشخص می کند که کدام یک حرکت خود را به سوپاپ انتقال دهد. دو وضعیت کارکرد به طور بالقوه می تواند بازه های زمانی را تغییر دهد. حرکت میل بادامک می تواند با وضعیت آن ترکیب شود و در واقع تغییر وضعیت میل بادامک سیستم متفاوت i-VTEC (نمونه هوشمند) را به دنبال خواهد داشت.



همیشه چنین تغییرات وضعیتی فقط یک مقوله قدرتی نیست و اصول اقتصادی و صرفه جویی نیز مد نظر است. با سیستم VTEC-E {E مخفف Efficiency به معنی کارآیی) هوندا، کارآیی دورهای پایین موتور با کاهش دامنه یک سوپاپ از 4 سوپاپ یک سیلندر، تقویت می شود که به جریان سوخت و هوا شتاب داده و منجر به مخلوط بهتر این دو و احتراق پاک تری می شود. اختلاف ممکن و جابجایی در موقع نیاز نوع دیگری از موضوع تغییر وضعیت میل سوپاپ است. در صورت وجود فشار سبک بر موتور، سیستم i-VTEC V6 یکی از شش سیلندر را از کار می اندازد. بقیه نیز در صورت نیاز با غیر فعال کردن بادامک ها به طور هیدرولیکی از کار می افتند. در نهایت اینگونه است که تغییر وضعیتی میل سوپاپ به هوندا سیویک هیبریدی حالتی کاملا الکتریکی می دهد.



تغییر ممتد وضعیت میل بادامک
سیستم های مورد بررسی تا کنون 2 حالتی بوده اند. برای تغییر آنها به شکل عملکرد ممتد و مداوم، نیاز به قطعات بیشتر و هوش سازندگان دارد. چند سال پیش، فیات روش جالبی با برش مخروطی میل بادامک ارائه داد که با جلو عقب و رفتن، سوپاپ مورد نظر را باز یا بسته می کرد. کلیت این روش بعدأ توسط فراری توسعه داده شد. نقاط منفی آن در تولید، دقت و استهلاک بود. همچنین بر خلاف طرح های تغییر زمان و وضعیت میل بادامک، این روش باعث شد تا تمامی میل بادامک های متغیر به یک استراتژی واحد برسند.

هرچند با وجود عناصر سخت افزاری بیشتر، سیستم والوترونیک BMW نمودی از هنر مهندسان آن در عملکرد تغییر وضعیت ممتد میل بادامک بود. به همراه سیستم تغییر وضعیت VANOS هر دو سیستم به تغییر وضعیت ممتد در میل بادامک نائل شدند. سیستم والوترونیک یک اسبک دومی را بین هر بادامک و سوپاپ هوا قرار می دهد. در واقع در تعریف تنفس موتور، بسیار سیستم مؤثری است که BMW را از ساسات پروانه ای سنتی خلاص می کند که به نوبه خود مزیت کاهش فقدان فشار بنزین را به همراه دارد. به گفته این شرکت چنین سیستمی 10 درصد در مصرف سوخت صرفه جویی می کند. با معرفی در 316ti چهار سیلندر، سیستم والوترونیک به تدریج راه خود را در بسیاری از موتور های BMW پیدا کرد (حتی مدلهای جدید مینی). البته پیچیدگی آن (اسبک های چند تایی و لزومأ فنرهای قوی) کارآیی آن را در دورهای بالا محدود می کند.



همچنین سیستم نوین کنترل الکترونیکی تغییر زمانی سوپاپ ها متعلق به شرکت میتسوبیشی (به اختصارMIVEC) از اسبک های میانی برای سوپاپ های هوا استفاده می کند هر چند در تغییر وضعیت ممتد بکار نرفته است که دارای حالت های سرعت بالا و پایین است.

سیستم سوپاپ آئودی برای تغییر وضعیت سوپاپ در دو حالت، نیم نگاهی به میل بادامک های مورد استفاده در فیات و فراری دارد. بادامک های معمول و بلندتر بر روی یک میل بادامک زبانه دار می چرخند که هماهنگی آنها با پین های دقیقی در حلقه های فنری شکل تنظیم می شود.

تغییر پذیری برای الگوهای سنتی
حتی الگوی OHV نیز از فن آوری سوپاپ متغیر بهره می برد. به عنوان مثال، دوج وایپر جدید V10 تغییر وضعیت سوپاپ دود خود را مدیون یک جفت میل بادامک در بلوک سیلندر است. بادامک های میل سوپاپ بیرونی، سوپاپ های دود را از طریق بازوی اسبک ها تنظیم و بهینه می کند. بادامک های میل بادامک درونی نیز از طریق شکاف هایی سوپاپ های هوا را باز و بسته می کند. تغییر وضعیت سوپاپ دود با چرخش میل بادامک بیرونی به تناسب درونی به دست می آید. بدین شکل دلیلی برای تغییر پذیری سوپاپ هوا وجود ندارد و در نهایت اینکه وایپر به نیروی تورگ کمتری نیاز دارد. یک شرکت انگلیسی به نام مکادین اینترنشنال قطعات مورد نیاز این سیستم را تولید می کرد.



عملکرد بدون میل بادامک
استفاده الکترومغناطیسی از سوپاپ هوا و دود یکی از روش های عدم استفاده از میل بادامک است. در نوامبر 1998 شنیدم که سیستم الکترومکانیکی BMW در حال پیشرفت و نتیجه دادن است. 5 سال بعد در نوامبر 2003 پل فرر گفت که سری 3 بدون میل بادامک، سورپریز بعدی BMW خواهد بود؛ هر چند که محقق نشد. مسلمأ از مهندسی هوشمندی در دقت ساخت سوپاپ ها برخوردارند اما تاکنون از میل بادامک سنتی بهره برده اند.



اخیرأ شرکت قطعه سازی والئو اظهار داشته است که مشکلات پیچیدگی تولید و هزینه ها را حل کرده است. طبق آخرین اخبار، جدیدترین برنامه آنها طرح های بدون میل بادامک برای تولید در حدود سالهای 2010 یا 2011 است؛ هر چند که هنوز هیچ شرکت خودرو ساز طرف قرارداد مشخص نشده است. با سیستم سوپاپ هوشمند والئو، برای هر یک از سوپاپ ها یک تنظیم کننده ویژه با الکترومغناطیس های بالا و پایین و آرمیچری بین آنها وجود دارد. با فعال شدن مغناطیس بالا سوپاپ بسته می شود. با غیر فعال شدن آن و فعال شدن پایینی و به کمک فنرها، سوپاپ باز می شود.مغناطیس ها حرکت را در هر دو انتهای مسیر رفت و برگشت میل سوپاپ با دقت بالا تنظیم می کنند. هر یک از سوپاپ ها با عملکردی مستقل از بقیه، تحت کنترل مدیریت کامپیوتری موتور است. بنا به گفته های شرکت والئو، عملکرد بدون میل بادامک به میزان 25 درصد از نیروهای اصطکاکی و قدرت خور موتور می کاهد. همچنین با کنترل گزینشی سوپاپ های هوا و دود، نوآوری های بیشتری را در کل عملکرد موتور می توان اعمال کرد. به نظر می رسد که این فن آوری نو بتواند تا حدود 20 در صد در مصرف سوخت صرفه جویی کند و یا از گازهای آلاینده بکاهد. جالب اینکه با این سیستم مشکلات فشار هوا در دورهای بالای موتورهای فرمول وان نیز مرتفع می شود.

هوشمندی در فن آوری بدون میل بادامک
ایده عملکرد بدون میل بادامک بسیار تحریک کننده است! به عنوان نمونه ای از هوشمندی بالقوه آن، تنظیم دقیق و تمامأ کامپیوتری سوپاپ ها امیدی برای یک استارت برنامه ریزی شده است: در مقایسه با به حرکت درآوردن موتور با یک استارت سنتی (و سنگین)، کافی است تشخیص داده شود کدام سیلندر در وضعیت مکش قرار دارد، سوخت با جرقه همراه شده و پیستون از خواب بیدار می شود! با تکرار این روند در سیلندر های مناسب، موتور روشن می شود.

از کار انداختن گزینشی سیلندرها در زیر فشار سبک، یک موضوع نرم افزاری ساده می شود. همچنین کنترل متقارن چند سوپاپ هوا منجر به ایجاد حالت گردبادی در سوختن ترکیب هوا و بنزین می شود. اینچنین است که سوپاپ ها برای بهبود عملکرد خودشان می توانند بسیار هوشمند شوند.

منبع:پرشین تیونینگ

نوشته شده در تاریخ یکشنبه 8 دی 1387    | توسط: Farzad Yosef-Lavi    |    |
نظرات()