بررسي و تحليل سيستم سوپاپ زمانبندي متغير VVT و شرح آن در موتور EF7

با رشد روز افزون جمعیت در چند دهه گذشته و نیاز بشر به حمل ونقل سریع ، ایمن و صنعت خودرو و متعاقب آن صنعت موتور، سیر صعودی به خود گرفته است . افزایش سطح استاندارد های زیست محیطی ، کاهش منابع سوخت های فسیلی ، تقاضای سرعت بالا ومهیج همچنین ایمن و راحت و توسعه روز افزون علم و فن آوری مهم ترین عوامل تاثیر گذار بر صنعت خودرو سازی در چند دهه گذشته بوده اند .

با کاهش مصرف برابر 40% ، زمان شتاب گیری صفر تا صد کیلومتر در ساعت تا نصف و همچنین گازهای آلاینده بطور قابل ملا حظه ای کاهش یافته اند . موتور های احتراق داخلی همیشه برای ارضای نظریات اقتصاددانان ، مهندسین و خریداران همواره با آخرین فن آوری ها که امکانات بهتر و جدیدی را فراهم می آورد همراه است .

کاهش مصرف سوخت خودرو ها به علت محدودیت و تجدید نا پذیری سوخت های فسیلی از نیاز های مبرم بشر می باشند و امکان جایگزینی منابع دیگر استاندارد های زیست محیطی بسیار بالا رفته است و شرکت های سازنده موتور از آخرین فن آوری های علوم مکانیک والکترونیک و. . . در جهت پاسخگویی سریع و مطمئن به تقاضای مصرف کننده ها بهره می جویند .

دربحران نفتی 1973 تا 1978 کاستن میزان مصرف سوخت مهم ترین هدف تولید کنند گان و مصرف کنندگان بوده است و بعد از کاهش قیمت نفت در دهه 80 تمایل به موتور های با قدرت زیاد از یک سو و کاهش سطح آلاینده ها از سوی دیگر مهم ترین تقاضای مصرف کنندگان بوده است و این خواسته ها موجب پیدایش تجهیزاتی نظیر موتورهای چهار، سه یا پنج سوپاپ ، سوپر شارژها یا توربو شارژها ، موتور هایی با حجم بالای 2000 تا 3000 سی سی برای خودرو سواری شده است .

توسعه روز افزون موتور ها ی احتراقی مجهز به واحد های کنترل الکترونیکی ، امکان توسعه موتور ها را در تمام زمینه ها بدون محدودیت فراهم می نماید . زمان بندی متغیر سوپاپ ها یکی از پتانسیل های مطرح در بهبود عملکرد موتور ها می باشد که به علت پیچیده تر شدن واحد های مکانیکی موتور به صورت محدود استفاده می شد ولی با توسعه کنترل موتورها ، زمینه استفاده از مکانیزم های VVT یا Variable Valve Timing به صورت نا محدود فراهم آمده است .

موتور بدون بادامک فورد یکی از این نمونه ها است در این موتور یک مکانیزم الکترو هیدرولیکی باز و بسته شدن سوپاپ ها را انجام می دهد و کنترل مستقل تمام پارامتر های زمان بندی امکان پذیر می شود و این یک مزیت اساسی در مقایسه با تجهیزات مکانیکی متداول است .

در فاصله سالهای 91-90 موتور های با تجهیزات الکترونیکی توسط شرکت ها آمریکایی وارد بازار شدند کمپانی جنرال موتورز و و فورد موتور جدید الکترونیکی را جهت استفاده در کامیون های سبک تولید کردند . همچنین ولوو یک نوع موتور سه حالته از نظر کاری کاملا متفاوت ارایه کرده است این سه حالت کاری به تر تیب عبارتند از: اقتصادی ، ورزشی و زمستانی .

در سال 1991 شرکت نیسان موتور کاملترین واحد الکترونیکی را برای موتور”GM5″ استفاده کرد همچنین شرکت امریکایی هوندا موتور از سیستم VVTاستفاده کرده است می توان گفت که با واحد های کنترل الکترونیکی موتور بهترین کیفیت مشخصه های عملکردی بدست آمده اند.

کنترل الکترونیکی کلید تغییر حالت کاری موتور به صورت بسیار روان با حداقل کردن مصرف سوخت می باشد .

سنسور های ورودی مختلف با اطلاعات موتور و عملکرد های بکار رفته کنترل مجموعه تولید توان را فراهم می آورند پس از آن که واحد کنترل داده های ورودی را کنترل می کند سیگنال هایی را برای سلونوئید های خروجی عمل کننده می فرستد .

تعدادی از سنسور های ورودی در زیر آمده است :

1- سنسور مشخص کننده حالت گیربکس

2- یک مقاومت مغناطیسی متغیر که بک سیگنال متناسب با دور میل گاردان در دقیقه تولید می کند .

3- ترمیستور دمای روغن موتور

4- سنسور دریچه گاز

5- سنسور اندازه گیر دبی جرمی هوای ورودی

6- سنسور موقعیت سیلندر اول

7- سیستم مشخص کننده وضعیت ترمز

به تناسب کنترل خودرو کنترل موتور به عنوان یکی از مهم ترین اجزا خودرو و پر هزینه ترین جز خودرو با استفاده از المان های مختلف مکانیکی و الکتریکی توسعه می یا بد و هر روز شاهد تکامل سریع این فن آوری و موتور های جدید که تماما کنترل می شوند هستیم .

چرا زمان بندی متغیر سوپاپ ؟

در موتور احتراق داخلی سوپاپ ها و پدیده های مربوط به سوپاپ ها تاثیر بسیار مهمی بر بازده و مشخصه های عملکردی موتور می گذارد بخصوص زمان های سوپاپ ورودی که از اهمیت زیاد تری نسبت به پدیده های سوپاپ خروجی بر خوردارند .

زمان های بهینه سوپاپ ها تحت تاثیر عواملی چون ابعاد و مشخصات لوله های ورودی مخلوط هوا وسوخت به موتور و تا حدودی لوله های خروجی دود از موتور و شرایط کاری موتور می باشد بدین صورت که در شرایط کاری مختلف هدف طراح موتور متفاوت بوده و برای دستیابی به این هدف بایستی از زمان بندی مناسب سوپاپ ها حداکثر استفاده را ببریم . در هر صورت مشخصه هایی که با زمان بندی سوپاپ ها بطور مستقیم بهبود می یابند به صورت زیر عبارتند از :

1- توان موتور

2- گشتاور موتور مخصوصاً در حالت تمام بار

3- کاهش آلاینده های خروجی خصوصاًNOx

4- مصرف سوخت در حالت کارکرد کم بار ونیز خلاصی

5- کاهش تلفات ناشی از پمپ کردن گاز ودر نتیجه افزایش بازده موتور

6- امکان کنترل بار موتور بدون استفاده از در یچه گاز در تمام رنج کارکرد موتور

زمان بندی باز و بسته شدن سوپاپ خروجی و بخصوص ورودی نسبت به شرایط کار موتور وضعیت های مختلفی را را برای اصلاح و بهبود خروجی های کاری موتور می گیرند در کارکرد تمام بار موتور که هدف به دستیابی به حداکثر بازده حجمی و در نتیجه گشتاور خروجی حداکثر است. موتور دارای فرکانس بالا تر، زمان هم پوشانی کمتری برای باز کردن سوپاپ ها می باشد در حالی که در دور های پایین تر از مدت زمان هم پوشانی بیشتر و نیز زمان تناوب بیشتری برای زمانهای باز و بسته شدن سوپاپ بر خوردار می باشد باشد.

سیستم های زمان بندی متغیر سوپاپ

انواع سیستم های زمان بندی متغیر سوپاپ مختلفی وجود دارند که تفاوت های مکانیزم های عملکردی آن ها نسبت به عملکرد کلی شان از اهمیت کمتری برخوردار است . تا چند وقت پیش در اکثر سیستم های تایمینگ متغیر میل سوپاپ ، تنها یکی از دو میل سوپاپ موتور متغیر بود که البته این تغییر تنها به میزان یک پله انجام می گرفت . در این سیستم در زمان افزایش دور موتور و یا در محدوده مشخصی از آن ، واحد کنترل الکترونیکی تایمینگ میل سوپاپ را تغییر می دهد و بدین ترتیب یکی از میل سوپاپ ها در وضعیت آوانس یا ریتارد قرار می گیرد .

در خیلی از موتورهائی که مجهز به دو میل سوپاپ در سر سیلندر میباشند ( DOHC) این نوع سیستم باعث می گردد تایمینگ سوپاپ های اگزوز ( بر خلاف تصور عمومی که حاکی از اهمیت بیشتر سوپاپهای ورودی است ) تغییر پیدا کند ، البته در برخی انواع نادرتر ، تایمینگ سوپاپ های ورودی تغییرمی کند .

نمونه ای از نوع دوم در برخی اتومبیلهای پورشه مشاهده می گردد . در یکی از مدلهای پورشه (Porsche 911) که مجهز به سیستم Vario Cam است ، این سیستم باعث میگردد تا تایمینگ سوپاپ ورودی بعد از رسیدن دور موتور به 1300 دور در دقیقه ، 25 درجه تغییر کند و نتیجتاً محفظه احتراق بهتر پر و خالی شود و گشتاور افزایش پیدا کند . بعداز رسیدن دور موتور به حد 5920 دور در دقیقه ، تایمینگ 25 درجه کاهش پیدا میکند و به حد اولیه ( دور آرام ) باز می گردد و عملکرد موتور در دور موتور بالا را بهبود می بخشد . در مواقعی که درجه حرارت روغن موتور بالا رفته باشد این تغییر در دور موتور 1500 دور در دقیقه انجام می گیرد .

سیستم های اولیه که در آن تنها تایمینگ یک میل سوپاپ تغییر پیدا می کند هر چند که بهتر از سیستم های تایمینگ ثابت عمل می کنند ، با این وجود کاملا قانع کننده نیستند . موتورهای مجهز به این سیستم تنها در دو حالت و دور موتور خاص دارای عملکرد بهینه هستند . واضح است که تغییرات کوچک و متعدد تایمینگ حتی اگر در مورد یکی از میل سوپاپ ها اعمال شود بهتر است و اگر تایمینگ هر دو میل سوپاپ قابل تغییر باشد نتیجه بهتری دارد . دراین حالت تایمینگ هر دو میل سوپاپ دائما با توجه به شرائط عملکرد موتور ، در حال تغییر خواهند بود .

سيستم كنترل هوشمند حركت سوپاپ ها i-VTEC

اين سيستم كه نوع هنوز كامل تري نسبت به نوع قبلي است از كنترل الكترونيكي بهره گرفته و در واقع در مقايسه با سيستم 3-Stage كه يك سيستم سه مرحله اي بود، يك سيستم n مرحله اي است . با بهره گيري از vtc حركت سوپاپ ها بوسيله ي ECU كنترل مي شود و بدين ترتيب سيستم براي كليه ي دورهاي موتور بهينه خواهد بود . بطور خلاصه اين سيستم همانند 3-Stage در دورهاي پائین مشابه SOHC VTEC-E و در دورهای بالا مشابه SOHC VTEC عمل خواهد كرد. در نهايت مصرف سوخت با كمك اين سيستم توانسته است از سيستم 3-Stage هم كمتر شود.

ECU به عنوان پردازشگر، اطلاعات مورد نياز براي تحليل را توسط سنسورهاي مختلفي دريافت مي كند. با سنسوري كه بر روي بادامك قرار دارد و با توجه با دور موتور، گشتاور وارد بر دور موتور و همچنين با برخورداري از يك جدول كاليبراسيون به شيرهاي فشار روغن فرمان مي دهد و محرك vtc را تنظيم مي شود و و بدين ترتيب زمان باز شدن سوپاپ ها را تعيين مي شود. نحوه عملكرد محرك vtc نيز در پايين نشان داده شده است .

زمان باز شدن سوپاپ خروجی (EVO )

زمان باز شدن سوپاپ خروجی انتهای فرآیند انبساط و احتراق را مشخص می کند ای زمان تاثیر زیادی روی بازده حرارتی موتور دارد EVO مناسب زمانی است که فشار سیلندر تا نزدیکی فشار چند راهه ورودی افت کرده در این صورت افت های ناشی از پمپ کردن سیال کاهش پیدا می کند . EVO معمولاً چند درجه قبل از نقطه مرگ پایین اتفاق می افتد.

EVO بهینه با افزایش سرعت موتور بایستی زودتر اتفاق بیافتد چون در سرعت های با لا مرحله تعویض گاز نسبت به سرعت های پایین به علت کاهش دوره زمانی از کارایی کمتری بر خوردار است در چنین شرایطی برای جبران افت های ناشی از پمپ کردن سیال با تسریع EVO با اهمیت می گردد .

زمان بسته شدن سوپاپ خروجی (EVC )

بسته شدن سوپاپ خروجی انتهای فرآیند تخلیه و همچنین پایان دوره هم پوشانی سوپاپ ها می باشد . EVC یا exhaust valve close معمولاً چند درجه بعد از نقطه مرگ بالا (ATDC یا After top death center ) اتفاق می افتد در حالت خلاصی و کم بار موتوربه تاخیر افتادن EVC مناسب نیست که این امر موجب کاهش بازده حجمی دردور های پایین می شود این نقطه زمانی بایستی طوری باشد که با داشتن حد اکثر قدرت ، فشار سیلندر کمترین باشد مصرف مخصوص سوخت نسبت به EVC کمتر حساس می باشد .

در سرعت های با لا EVC زود باعث افزایش میزان گاز های با قیمانده در داخل موتور می گردد بنابراین برای گرفتن توان بیشتر مناسب است EVC به تاخیر بیافتد بر عکس در حالت خلاصی و کم بار موتور EVC پیش انداخته موجب کاهش هم پوشانی سوپاپ ها و متعاقب آن کاهش گاز های خروجی مانده در داخل سیلندر و همچنین کاهش فشار موثر متوسط اندیکاتوری ( IMEP یا Exhust valve open ) می گردد .

با به تاخیر افتادن EVC و افزایش میزان گاز های خروجی مانده در سیلندر آلاینده های HC و نیز NOx افزایش می یابد .

مزایای سیستم پره ای

1- پاسخ سریع تر و حجم و وزن کمتر نسبت به سیستم دنده مارپیچی

2- استفاده از سوپاپ کنترل الکترومغناطیسی منجر می شود که با فشار روغن پایین تری سیستم عمل کند ودر نتیجه نشتی کاهش می یابد .

3- کنترل پیوسته ی میل بادامک ها برای ورودی در محدوده 40 درجه و برای خروجی در محدوده 50 درجه ودر نتیجه احتراق مناسب که با افزودن پمپ هوای ورودی یا سیستم EGRبهتر می شود .