سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها یا VVT را بشناسیم

پیشرانه- سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها یا VVT جهت افزایش راندمان حجمی موتورموتور در دورهای بالای ۳۰۰۰ RPM طراحی‌شده است.
به گزارش وب سایت خبری پیشرانه در ایم مطلب می خواهیم بررسی مفصلی داشته باشیم از سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها یا VVT. در ابتدا باید گفت در حالت عادی درون یک سیلندر در کورس مکش هوا (وقتی پیستون به نقطه مرگ پایین می‌رسد و سوپاپ هوا کاملاً باز است) بین ۶۰٪الی ۸۰٪ سیلندر از هوای غنی (مخلوط سوخت و هوا) شده پر می‌شود که در دورهای بالا، مثلاً ۳۰۰۰ rpm زمان باز بودن سوپاپ‌ها ۱/۷۶ ثانیه است.
البته اینرسی هوای پشت سوپاپ‌ها را نیز در نظر داشته باشید منظور از اینرسی همان حالت ایستایی هوا و تمایل مولکول‌های هوا به حفظ حالت توقف است که در حین مکش پیستون با یک تأخیر شروع به حرکت می‌کند.
این تکنولوژی در بسیاری از خودروها تنها بر روی سوپاپ‌های هوای ورودی و در برخی خودروها هم بر روی سوپاپ‌های ورودی و هم سوپاپ‌های خروجی تعبیه می‌شود.
به‌عنوان‌مثال خودرویی مانند مزدا ۳ تنها در سوپاپ‌های ورودی یا گاز مجهز به این سیستم است و خودرویی مانند مهدوی بر روی هر دو مجموعه. سوپاپ دود و گاز از این تکنولوژی بهره می‌برد.
در یک خودرو ۴ سیلندر ۲۰۰۰ cc یا همان ۲ لیتری حجم هر سیلندر معادل ۵۰۰ cc یا نیم لیتر است، در حالت تنفس طبیعی هر سیلندر معادل ۳۰۰ الی ۴۰۰ cc از هوای غنی‌شده پر می‌شود؛ و درواقع به‌صورت کامل پر نمی‌شود. به‌عبارت‌دیگر هرچه دور موتور بالاتر برود به‌صورت تصاعدی حجم کمتری از سیلندر پر خواهد شد پس در شرایط تنفس طبیعی راندمان حجمی به دور موتور بستگی دارد.
البته علاوه بر تکنولوژی فوق روش‌های مکمل دیگری با عنوان پرخورانی به شکل توربو شارژر و سوپر شارژر نیز در موتورها مورداستفاده قرار می‌گیرد که بعداً به‌طور مفصل درباره آن‌ها توضیح خواهیم داد.
در خصوص توربو شارژر و سوپر شارژر فعلاً به همین اندازه توضیح بسنده کنیم که توربو شارژر نیروی محرک خود را از دود خروجی و سوپر شارژر از نیروی گردشی موتور می‌گیرد و معمولاً یک مجموعه به همراه افتر کولر یا افتر کار و هدرز است که در بخش پرخورانی به شکل کامل به شرح این قطعات و تجهیزات می‌پردازیم.
سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها یا VVT که مخفف variable valve timing است در حقیقت همان تکنولوژی زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌هاست.
همان‌طور که می‌دانید موتورها یا دو زمانه هستند و یا چهارزمانه در یک موتور دو زمانه با یک دور گردش میل‌لنگ یا همان ۳۶۰ درجه چرخش چهار عمل اصلی مکش، تراکم، کار، تخلیه صورت می‌گیرد.
اما در یک موتور چهارزمانه این چهار مرحله در ۲ دور گردش موتور و میل‌لنگ انجام می شود. این تکنولوژی بر روی موتورهای چهارزمانه کاربرد داشته و می‌تواند بر روی مجموعه سوپاپ‌های دود و یا گاز تعبیه شود. سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها یا VVT در حقیقت با مدیریت و بهینه کردن زمان باز یا بسته بودن سوپاپ‌های دود یا گاز در مراحل چهارگانه موتور از طریق در اختیار قرار دادن زمان بیشتر برای پر شدن سیلندر و یا تخلیه دود خروجی باعث افزایش راندمان موتور می‌شود.
یکی از زمان‌های مهم در تایم گیری موتور زمان قیچی سوپاپ‌ها است که در این زمان هر دو سوپاپ دود و گاز به‌طور هم‌زمان باز است.
یعنی با شروع سیکل جدید موتور از یک‌سو سوپاپ گاز باز است و مخلوط هوا و سوخت در حال ورود به سیلندر است و از سوی دیگر سوپاپ گاز باز است و دود حاصل از احتراق در حال خروج از سیلندر. در حقیقت به‌نوعی از یک‌سو هوای تازه‌ وارد سیلندر شده و از سوی دیگر اختلاف فشار درون سیلندر با محیط بیرون سبب خروج بیشتر پسماندهای حاصل از احتراق می‌شود. به عمل ورود مخلوط سوخت و هوا و کمک به خروج دود حاصل از احتراق در اصطلاح جارو کردن گفته می‌شود.

مرحله ۱: مکش

در این مرحله که با اولین حرکت پیستون‌ها پس از استارت زدن آغاز می‌شود با حرکت پیستون به سمت پایین از بالاترین نقطه قرارگیری که به آن نقطه مرگ بالا گفته می‌شود.
با تغییر حجم سیلندر و ایجاد خلأ در سیلندر هوا محیط به داخل سیلندر مکیده می‌شود و تا رسیدن پیستون به پایین‌ترین نقطه که به نقطه مرگ پایین معروف است مرحله تنفس یا مکش گفته می‌شود.
در این مرحله سوپاپ گاز یا ورودی کاملاً باز است تا سیلندر به‌خوبی از مخلوط سوخت و هوا پر شود
البته با کمک زمان‌بندی سوپاپ‌ها این زمان باز بودن سوپاپ گاز حتی کمی بعد از رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین و حرکت مجدد پیستون به سمت بالا و ایجاد مرحله دوم سیکل کار موتور یا همان مرحله تراکم بازمی‌ماند.
به فاصله بین نقطه مرگ بالا (بالاترین حد قرارگیری پیستون) و نقطه مرگ پایین (پایین‌ترین حد قرارگیری پیستون) کورس پیستون گفته می‌شود.
با توجه به این مطلب که برای انجام یک مرحله کار در یک موتور چهارزمانه به دو بار بالا و پایین رفتن یک پیستون یا ۲ دور چرخش موتور (۳۶۰ درجه گردش) نیاز است می‌توان نتیجه گرفت هر مرحله از چهار مرحله تقریباً حدود ۱۸۰ درجه گردش موتور و یا نیم دور گردش موتور است.

مرحله ۲: تراکم یا فشار

در این مرحله که پس از پایین آمدن پیستون برای مکش مخلوط هوا و سوخت و با شروع به بالا رفتن مجدد پیستون به سمت بالا شکل می‌گیرد.
با بالا رفتن پیستون به سمت نقطه مرگ بالا و فشرده شدن مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق و گم‌شدن حجم داخل سیلندر فشار داخل سیلندر به حداکثر خود می‌رسد.
به نسبت فشرده شدن هوای داخل موتور به فضایی که پس از رسیدن پیستون به بالاترین نقطه باقی می‌ماند (محفظه احتراق) نسبت تراکم می‌گویند. این نسبت تراکم در موتورهای بنزینی تا حدود ۱۲ به ۱(البته در موتورهای با تکنولوژی خاص مانند موتورهای مزدا با تکنولوژی sky active این نسبت به حدود ۱۴.۵ به ۱ نیز می‌رسد) است.
اما در موتورهای دیزلی این نسبت تراکم به ۲۴ به یک است. پس از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا و فشرده شدن کامل مخلوط هوا و سوخت مرحله دوم یا مرحله تراکم به پایان رسیده است. در این مرحله هر دو سوپاپ دود و گاز بسته‌اند تا فشار تراکم ایجاد شود.

مرحله ۳: کار

در این مرحله پس از پاشش انژکتور ها و متراکم شدن کامل سوخت و هوا جرقه شمع دقیقا وقتی پیستون به بالا ترین حد خود رسید زده می‌شود مخلوط هوا و سوخت فشرده که حالا در اثر متراکم شدن داغ و ماده انفجار است محترق میشود و فشار انفجار پیستون را با سرعت به سمت پایین می راند و نیروی پیستون از طریق شاتون میل لنگ را به گردش در می آورد. زمانیکه پیستون به سمت پایین می رود و قبل از رسیدن کامل پیستون به پایین ترین نقطه سوپاپ دود باز می‌شود. در این مرحله کار مفید تولید می‌شود.

مرحله ۴: تخیله

در این مرحله پس از انجام کار پیستون مجددا از نقطه مرگ پایین به سمت بالا بر می گردد و سوپاپ دود خروجی کمی قبل تر باز شده است.
در نتیجه پس ماند های احتراق از سیلندر خارج می‌شود. قبل از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا و همزمان با تخلیه دود سوپاپ گاز نیز باز می‌شود با این عمل علاوه بر خروج دود به دلیل بالا امدن پیستون و به دلیل فشار بالای داخل سیلندر هوای ورودی نیز به خروج بهتر دود کمک می کند که در اصطلاح به این عمل جارو کردن گفته می‌شود.
در این زمان هر دو سوپاپ در مدت زمان کوتاهی به طور همزمان باز هستند که به این فرایند زمان قیچی سوپاپ ها گفته میشود و به زاویه ای از گردشکه این عمل رخ می دهد زاویه double یا همپوشانی گفته می‌شود.
به این ترتیب چهار مرحله کار موتور به پایان رسیده و سیکل مجددا آغاز می‌شود. در موتور انرژی حاصل از کار هر سیلندر در فلایویل ذخیره شده در مراحلی که در این سیلندر ها کار انجام نمی‌شود به حرکت پیستون ها از طریق لنگ های میل لنگ کمک میکند.
معمولا ترتیب احتراق در موتورهای ۴ سیلندر به ترتیب ۱۳۴۲ متداول است یعنی دو پیستون یک و چهار همزمان و دو پیستون ۳ و ۲ با هم بالا نیایند و یکی در مرحله تراکم و دیگری در مرحله تخلیه قرار دارد. ترتیب احتراق به نوبت جرقه زنی در هر سیلندر گفته میشود.

سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها یا VVT

حال که منظور از زمان و مراحل مختلف در موتور را توضیح دادیم در خصوص زمانبندی متغیر موتور توضیح کامل تری می دهیم.
همان طور که می دانید قهرمان های دوی صد متر (سریعترین مردان جهان) صد متر رادر کمتر از ۱۰ ثانیه به پایان میرسانند یعنی در هر ثانیه بیشتر از ۱۰ متر دویده اند و متوسط سرعت بیش از ۳۶ km/h است.
حال چرا در طول تاریخ سیاه پوستان قهرمان های دو صد متر بوده اند؟ تمامی ورزشکاران حرفه ای این در این رشته دارای بدن های ورزیده و عضلات منسجم و قوی هستند اما یکی از دلایل مهم موفقیت سیاه پوستان نسبت به دیگر نژادها در ساختار هوا رسانی به ریه ها است بعبارت دیگر بینی سیاه پوستان (مانیفولد) حجم بیشتری از هوا را به ریه هایشان می رساند و در نتیجه راندمان حجمی ریه ها بالارفته و موجب افزایش توان بدن و شتاب حرکتی بیشتر می‌شود به عبارت دیگر اکسیژن بیشتر به عضلات میرسانند.
این ژرف نگری و نکته سنجی، جهت توضیح نحوه عملکرد سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها یا VVT در خودرو برای شما عزیزان گفته شد.
حال باز می گردیم به موتور خودرو در دور های بالاتر از ۳۰۰۰ rpm برای ورود هوای بیشتر تجهیزاتی مانند تامبل والو (دریچه هوا) و وکیوم چمبر (انباره مکش) در موتور ها تعبیه شده است.
در اکثر شرکت های سازنده موتور یا خودرو در دنیا سیستم vvt از لحاظ تعریف و نحوه عملکرد یکسان است، این فناوری از سال ۱۹۸۰ بصورت عملکرد مکانیکی بروی یک خودرو (آلفارمو) نصب و معرفی شده است.
این سیستم عموما برای سوپاپهای ورودی یا همان سوپاپ هوا نصب می گردد اما برخی خودروسازان علاوه بر نصب ورودی برای سوپاپ خروجی یا دود هم نصب می کنند.
آلمانی ها این سیستم را به نام سیستم ونوس می شناسند.
شرکت میتسوبیشی ژاپن آن را به نام مای وک معرفی می کند.و دیگر خودرو سازان به نام VVT که عموما بروی گلگیر خودرو حک شده است می شناسند.

بررسی زمان بندی در سیستم VVT

در یک موتور برای یک سیلندر، زمان بندی باز بودن سوپاپ ها بررسی می کنیم، به فرض آنکه سوپاپ هوا ۱۰ درجه قبل از نقطه مرگ بالا (TDC) باز شود و سپس باز می ماند تا ۳۵ درجه بعد از نقطه مرگ پایین (BDC) بسته شود پس درجه کلی باز بودن سوپاپ هوا می‌شود.
۱۰ + ۱۸۰ + ۳۵ = ۲۲۵ درجه
حال اگر موتور به سیستم VVT مجهز باشد در دور های بالاتر از ۳۰۰۰ rpm مختصات باز شدن سوپاپه ها نهایتاً تا ۲۰ درجه ادونس (زودتر) باز می‌شود.
پس سوپاپ هوا در دوربالاتر از ۳۰۰۰ rpm، با فرمان کامپیوتر خودرو، ۳۰ درجه قبل نقطه مرگ بالا TDC باز شده و بعد از ۱۵ درجه بعد از نقطه مرگ پایین BDC بسته می‌شود.
۳۰ +۱۸۰+۱۵ = ۲۲۵ درجه
پس در سیستم vvt مقدار باز بودن سوپاپ تغییر نمی کند بلکه زمان باز شدن سوپاپ ها ادونس می‌شود.
این سیستم بروی پولی میل‌سوپاپ نصب‌شده و توسط کامپیوتر خودرو کنترل می‌شود و با فشار روغن‌موتور عمل کرده و نهایتاً موجب ادونس سوپاپ خواهد شد.