از زمان پیدایش موتور های احتراق داخلی، مهندسین خودرو به دنبال تغذیه مناسب محفظه احتراق توسط جرم هوای ورودی بیشتری بودهاند. از این رو یکی از رویکردهایی که میتوان جرم هوا ورودی بیشتری به داخل سیلندر وارد و خارج کرد، استفاده از مکانیزم های متغیر زمانبندی دریچه های ورودی و خروجی سیلندر می باشد که بتوان در دورهای مختلف جرم یکسانی به داخل سیلندر وارد و از آن خارج نمود. این سیستم برای اولین بار در سال 1960 توسط الفا موتور به ثبت رسید و پس از حدود 20 سال برای اولین بار در خودرو الفا رمئو اسپایدر مورد استفاده قرار گرفت. در سال های اخیر با رشد چشمگیر صنعت خودرو، زمانبندی متغیر سوپاپ توجه بیشتر خودروسازان مطرح دنیا را به خود جلب کرده است.
زمان بندی سوپاپ ها
حداکثر بازده ورودی هوا یا راندمان حجمی در موتورهای احتراق داخلی با توجه به باز و بسته شدن سوپاپ های ورودی و خروجی در در دور خاصی صورت میگیرد. با خارج شدن از دور بهینه موتور جرم هوای ورودی به سیلندر کاهش پیدا میکند و باعث افت توان خروجی و همچنین گشتاور مورد نیاز میشود. در موتور های احتراق داخلی سوپاپ های ورودی و خروجی برای انجام یک سیکل کاری چند فاز دارند:
- سوپاپ ورودی باز و سوپاپ خروجی بسته ( فرایند مکش)
- هر دو سوپاپ بسته (فرایند تراکم)
- هر دو سوپاپ بسته (فرایند احتراق)
- سوپاپ ورودی بسته و سوپاپ خروجی باز (فرایند تخلیه)
- هر دو سوپاپ باز (انتهای فرایند تخلیه و شروع فرایند مکش)
در انتهای کورس مکش سوپاپ ورودی معمولا چند درجه بعد از پائین ترین موقعیت پیستون در داخل سیلندر و در حالی که پیستون به سمت بالا میرود شروع به بسته شدن میکند. در نگاه اول اینطور بنظر میرسد که حرکت رو به بالای پیستون باعث کاهش جرم هوای وارد شده از سیلندر میشود اما اینطور نیست، به علت سرعت بالای جرم ورودی به سیلندر چند درجه پس از اینکه پیستون از پایین ترین نقطه خودش عبور میکند جریان به مسیر خود ادمه میدهد و در نهایت پس از چند درجه بعد از شروع کورس تراکم سوپاپ هوا بسته میشود. پس از کورس تراکم، موتور وارد فاز احتراق میشود و مانند دیگر فاز ها، احتراق نیاز به 180 درجه چرخش میل لنگ برای انجام کورس مذکور دارد. به علت حتراق شکل گرفته در داخل سیلندر فشار و حجم مخلوط سوخت و هوا افزایش پیدا میکند. به همین امر در آخر کورس تولید توان (احتراق) زمانیکه پیستون چند درجه دیگر بواسطه چرخش میل لنگ نیاز دارد به پایینترین نقطه خود برسد سوپاپ دود شروع به باز شدن میکند تا سبب شود در لحظه خروج افت توان کمتری صورت گیرد. همانطور که گفته شد سوپاپ دود چند درجه قبل از رسیدن پیستون به پائین ترین نقطه شروع به باز شدن میکند و انتهای کورس تخلیه و اول کورس مکش هر دو سوپاپ دود و هوا به اندازه چند درجه از چرخش میل لنگ باز میباشند. حال باتوجه به توضیحات داده شده در مورد عملکرد سوپاپ ها نقش سیستم زمانبندی متغیر سوپاپ نمایان تر میشود.
کاربرد این سیستم در موتور برای تنظیم زمانبندی سوپاپ ها در دور موتور های مختلف میباشد تا بیشترین زمان برای جرم هوای ورودی به داخل سیلندر و همچنین خارج کردن گاز ها صورت گیرد.
عملکرد زمانبندی متغیر سوپاپ
سیستم زمانبندی متغیر سوپاپ یک مجموعه میباشد که تشکیل شده از متعلقات با عملکرد های مختلف میباشد. روتور و استاتور از اجزای اصلی این مجموعه میباشند. بطوریکه آوانس و ریتارد کردن سوپاپ ها بواسطه حرکت رفت و برگشتی روتور درون استاتور توسط یک شیر کنترل روغن میباشد. هدف استفاده از CVVT تغییر زمان مناسب باز و بسته شدن سوپاپ های هوا و دود در دور موتور های مختلف میباشد. بطوریکه با توجه به سنسور های به کار رفته در خودرو واحد کنترل الکترونیکی (ECU) تشخیص میدهد که در دور موتور های مختلف و همچنین با توجه به شرایط مختلف رانندگی زمان باز بودن و بسته شدن سوپاپ ها را اوانس یا ریتارد بکند تا موتور در بهترین بازه عملکردی خود برای تولید توان خروجی بماند. مکانیزم باز و بسته شدن سوپاپ ها توسط یک شیر کنترل روغن که بر روی سر سیلند نصب شده است صورت میگیرد تا بتوان از عملکرد سیستم اطمیان کامل حاصل نمود. این شیر چند حالت باز و بسته بودن دارد. به این صورت که روغن توسط پمپ روغن به مدار روغن بلوک موتور پمپ میشود. شیر مورد نظر دارای مسیر روغن در بلوکه سیلندر و سر سیلندر میباشد. روغن پس از وارد شدن به پیستون داخل شیر روغن روتور را به حرکت در میآورد و با حرکت پیستون مسیر اوانس یا ریتارد برای سوپاپ ها باز میشود و همچنین به علت کنترل فشار روغن یک مسیر تخلیه برای این شیر در نظز گرفته شده تا از افزایش بیش از حد فشار روغن در مسیر جلوگیری شود.
در نمودار زیر میتوان به نمودار بدست امده از سیستم CVVT در موتور EF7 اشاره کرد که کاملا مزیت استفاده از این سیستم مشهود میباشد که نتیجه ان افزایش گشتاور موتور و خطی شدن آن می باشد. لازم به ذکر است رابطه ای مستقیم بین حداکثر گشتاور با بیشترین جرم هوای ورودی به موتور وجود دارد.
مزایا سیستم زمانبندی متغیر سوپاپ
شرایط رانندگی | سوپاپ هوا | سوپاپ دود | |||
تایمینگ سوپاپ | مزایا | تایمینگ سوپاپ | مزایا | ||
1 | سرعت کم/ دور موتور کم | کاملا ریتارد | بهبود پایداری احتراق | کاملا آوانس | بهبود پایداری احتراق |
عدم همپوشانی سوپاپ | عدم همپوشانی سوپاپ | ||||
2 | دور موتور متوسط/ سرعت متوسط | ریتارد | کاهش افت پمپاژ موتور | ریتارد | کاهش افت پمپاژ موتور |
کاهش هیدروکربن | |||||
افزایش تولید توان | |||||
3 | سرعت کم / دور موتور بالا | اوانس | جلوگیری از برگشت هوای ورودی به منیفولد هوا | ریتارد | کاهش افت پمپاژ موتور |
4 | سرعت بالا / دور موتور بالا | ریتارد | افزایش راندمان حجمی | اوانس | کاهش هیدروکربن |