تاثیر دور موتور بر زمان بندی سوپاپها

  موتور همیشه در شرایط یکسانی قرار ندارد؛ دمای هوای مختلف، میزان بار متفاوت، کیفیتهای گوناگون سوخت، فشار هوای منطقه، دور های پایین و بالا و ... موتور را در شرایط گوناگون قرار می دهند. موتور باید در شرایط  گوناگون، حداکثر بازدهی، کمترین مصرف سوخت و کمترین میزان آلودگی را دارا باشد. دور موتور، تغییرات بسیار زیادی دارد و به همین خاطر، اهمیت بالایی در طراحی برای بهینه سازی موتور دارد. برای مثال، در دور موتور بالا، شمع زودتر از دور پایین جرقه می زند. دور موتور تاثیرگذارترین گزینه در زمان بندی سوپاپهاست. در این مقاله قصد داریم، تاثیر دور موتور  را بر زمان بندی باز و بسته شدن سوپاپها بررسی کنیم و نشان دهیم میل سوپاپ با زمان بندی ثابت، بازدهی کمتری از میل سوپاپ با زمان بندی متغییر دارد.

  در خودروهای با زمان بندی ثابت سوپاپها، بسته به دور موتور رایج آن خودرو، میل سوپاپ طراحی می شود. شکل و زاویه بادامکها به گونه ای طراحی می شوند که در دور موتور رایج، موتور بهترین بازدهی را داشته باشد. دور موتور رایج وانت پایین تر از سدان و سدان هم پایین تر از اسپورت است. بازدهی موتور در سایر دور موتورها، فدای بازدهی دور موتور رایج می شود. در ادامه زمان باز و بسته شدن سوپاپها را در دور بالا و پایین مقایسه می کنیم.

  در مرحله احتراق، سوپاپ ورودی و سوپاپ خروجی بسته است. پیستون به طرف مرگ بالا می رود و مخلوط سوخت و هوا را فشرده می کند. اندکی قبل از مرگ بالا، شمع جرقه می زند و پیستون پس از مرگ بالا، در اثر فشار ناشی از انفجار، به پایین رانده می شود. (در مسیر حرکت پیستون داخل سیلندر، به بالاترین نقطه، مرگ بالا و به پایین ترین نقطه، مرگ پایین می گویند.) بعد از مرحله احتراق، مرحله تخلیه گازهای خروجی است که پس از مرگ پایین، پیستون در اثر چرخش میل لنگ به بالا رانده شده و گازهای خروجی از سوپاپ خروجی، خارج می شوند. پیستون در طی بالا رفتن، با انبوهی از گازهای حاصل از احتراق روبه روست که برای غلبه بر فشار ناشی از این گازها، مقداری از قدرت موتور را تلف می کند. برای جلوگیری از این اتلاف، سوپاپ خروجی در اواخر مرحله احتراق (انفجار) و قبل از مرگ پایین باز می شود. پس از باز شدن سوپاپ خروجی، مقداری از گازهای خروجی در اثر فشار احتراق، از این سوپاپ خارج می شوند؛ فشار گازهای خروجی باقیمانده در مرحله تخلیه کاهش می یابد و پیستون با صرف انرژی کمتری به بالا رانده می شود. البته باز شدن سوپاپ خروجی قبل از مرحله تخلیه، باعث از بین رفتن مقداری از فشار احتراق و کاهش قدرت موتور می شود. طراحان، بین این ضرر و آن سود، بهترین موازنه را پیدا و زمان بازشدن سوپاپ خروجی را بر اساس آن طراحی می کنند.

  راننده برای دستیابی به دور موتور بالاتر، پدال گاز را بیشتر می فشارد؛ دریچه گاز بیشتر باز شده، هوای بیشتری وارد محفظه احتراق می شود. با افزایش ورودی، فشار احتراق و گازهای خروجی افزایش می یابد و در نتیجه، دغدغه ی فشار بالای گازهای ناشی از احتراق در مرحله تخلیه، مهمتر می شود. اگر برای کاهش اتلاف نیروی میل لنگ در بالا راندن پیستون، فشار مرجعی را در نظر بگیریم که قبل از شروع مرحله تخلیه، فشار سیلندر به آن مقدار برسد؛ فشار پایین تر سیلندر در دور پایین، سریع تر از فشار بالاتر سیلندر در دور بالا به آن می رسد. به همین علت سوپاپ خروجی در دور بالا، باید زودتر از دور پایین باز شود. تغییر این زمان در میل سوپاپهای با زمان بندی ثابت امکان پذیر نیست. اگر زمان باز شدن سوپاپ خروجی برای دور پایین طراحی شده باشد، در دور بالا، با فشار بالای گازهای خروجی در مرحله تخلیه و در پی آن اتلاف بالای نیروی میل لنگ مواجه می شویم. اگر زمان باز شدن سوپاپ خروجی برای دور بالا طراحی شده باشد، در دور پایین، مقدار بالایی از فشار ناشی از احتراق، هدر خواهد رفت.

  در مرحله تخلیه، پیستون با حرکت سریع خود، گازهای حاصل از احتراق را با سرعت به سمت سوپاپ خروجی می راند. این گازها به دلیل جرم و سرعتشان، انرژی حرکتی دارند و تمایل دارند با همان سرعت و در همان مسیر به حرکت خود ادامه دهند.(اینرسی) پیستون بعد از گذر از مرگ بالا، با حرکت رو به پایین خود، مرحله مکش را شروع می کند. اگر باز بودن سوپاپ خروجی تا اندکی بعد از حرکت رو به پایین پیستون ادامه یابد، به علت تمایل به خروج باقیمانده گازهای خروجی، تخلیه بهتری صورت می گیرد. 

  در این قسمت، زمان بسته شدن سوپاپ خروجی را در دور بالا و پایین مورد مقایسه قرار می دهیم. در دور بالاتر، پیستون سرعت بالاتری می گیرد و سرعت گازهای خروجی را هم افزایش می دهد. گاز برخلاف پیستون، جسم یکپارچه و جامدی نیست که تمام مولکولهایش با همدیگر افزایش سرعت داشته باشند؛ گازهای چسبیده به پیستون، سرعت نزدیک به پیستون دارند؛ ولی گازهای دورتر به اندازه پیستون سرعت نمی گیرند. به عبارت دیگر، افزایش سرعت گازهای خروجی، کمتر از افزایش سرعت پیستون است و تخلیه نیاز به زمان بیشتری دارد. بنابراین در دور بالا، زمان بسته شدن سوپاپ خروجی، دیرتر از دور پایین می باشد. در موتوری که زمان بسته شدن سوپاپ خروجی برای دور پایین، طراحی شده است؛ در صورت افزایش دور موتور، تخلیه کامل صورت نمی گیرد و در مرحله مکش، گازهای خروجی باقیمانده از دوره قبلی، حجمی از سیلندر را اشغال کرده اند و مانع از پر شدن سیلندر با ترکیب هوا و سوخت خواهد شد.

  به مرحله مکش در دوره بعدی می رویم. سوپاپ ورودی، ظاهرا باید در آغاز مرحله مکش، بعد از گذر از مرگ بالا،  باز شود؛ ولی این سوپاپ در اواخر مرحله تخلیه ی دور قبلی، قبل از رسیدن پیستون به مرگ بالا، باز می شود. در اواخر مرحله تخلیه، سوپاپ دود نیز باز است؛ بنابراین قبل از رسیدن پیستون به مرگ بالا در مرحله تخلیه، هر دو سوپاپ بازند. باز بودن همزمان سوپاپ خروجی و ورودی را همپوشانی سوپاپها می نامند و اهمیت بالایی در خروج گازهای خروجی دارد. به دلیل این اهمیت، پدیده همپوشانی را با دقت بیشتری مورد بررسی قرار می دهیم.

  گازهای خروجی در مرحله تخلیه، از مسیر سوپاپ خروجی، سیلندر را ترک می کنند. پیستون به مرگ بالا نزدیک می شود و فشار گازهای خروجی در حال کاهش است. سوپاپ ورودی باز می شود و در اثر کاهش فشار ایجاد شده در محفظه احتراق، هوا یا مخلوط هوا و سوخت وارد سیلندر می شوند (در تزریق مستقیم سوخت به محفظه احتراق ، هوا و در سایر موارد مخلوط هوا و سوخت). در این هنگام، پدیده سیفون رخ می دهد و در جریانی U شکل، فشار هوای ورودی، گازهای خروجی را به طرف سوپاپ دود می فشارد. شاید این سوال برای شما پیش بیاید که چرا در همپوشانی سوپاپها، در حالیکه پیستون در حال بالا رفتن است، گازهای خروجی وارد سوپاپ ورودی نمی شوند؟ پاسخ را باید در اینرسی گازهای خروجی و زمان بندی بسیار حساس همپوشانی سوپاپها جستجو کرد. طبق قانون اینرسی، گازهای خروجی تمایل ندارند مسیر حرکت خود را تغییر دهند و در همان مسیر خروج از سوپاپ خروجی باقی می مانند. همکاری قانون اینرسی با خروج بهتر گازها، تا هنگامیست که زمان همپوشانی، به اندازه ای طولانی نشود که گازهای خروجی وارد سوپاپ ورودی شوند و هوای ورودی را آلوده سازند.

  در دور بالا که نیاز به ورودی بیشتری داریم؛ سوپاپ ورودی زودتر از دور پایین باز می شود تا به تخلیه بهتر دود کمک کند و هم هوا فرصت بیشتری برای ورود به محفظه احتراق داشته باشد. در دور بالا هم سوپاپ ورودی زودتر از دور پایین باز می شود و هم سوپاپ خروجی دیرتر بسته می شود؛ پس نتیجه می گیریم که در دور بالا همپوشانی سوپاپها، طولانی تر از همپوشانی سوپاپها در دور پایین است. موتوری را فرض کنید که همپوشانی آن کوتاه و برای دور پایین طراحی شده است. اگر دور موتور بالا رود، همپوشانی کوتاه، تخلیه ناقص و تنفس ناقص را در پی خواهد داشت. در موتور طراحی شده برای دور بالا، اگر دور پایین باشد؛ همپوشانی طولانی باعث می شود، قبل از مرگ بالا، گازهای خروجی به سوپاپ ورودی وارد می شوند و بعد از مرگ بالا نیز، در اثر مکش پیستون، گازهای خروجی از سوپاپ دود به محفظه احتراق برگردند.

  در مرحله مکش، پیستون با حرکت رو به پایین، مکشی را در سیلندر ایجاد می کند و هوای یا مخلوط سوخت و هوا وارد می شوند. مرحله مکش به انتهای خود نزدیک می شود و پیستون در حال رسیدن به مرگ پایین است. هوای ورودی در مانیفولد، به سمت سوپاپ در جریان است و به دلیل دارا بودن جرم، انرژی و  تمایل به ادامه حرکت دارد. اگر سوپاپ ورودی، با رسیدن پیستون به مرگ پایین بسته شود، مانع از رسیدن جریان هوایی می شود که در مانیفولد و به سمت سوپاپ ورودی در حرکتند. به همین جهت  اگر سوپاپ ورودی اندکی بعد از مرگ پایین و در اوایل مرحله تراکم بسته شود؛ موتور تنفس بهتری خواهد داشت. اگر بسته شدن این سوپاپ طولانی شود، هوای داخل سیلندر در اثر فشار پیستون، به داخل سوپاپ برخواهد گشت. به همین جهت طراحان، زمان بسته شدن سوپاپ ورودی را طوری طراحی می کنند که بیشترین مقدار هوا وارد سیلندر شود.

  در دور بالا، دریچه گاز بیشتر از دور پایین باز است و جریان بیشتری از مانیفولد به سوپاپ ورودی می رسند. جریان هوا در دور بالا در مقایسه با دور پایین، هم جرم بیشتر و سرعت بالاتری دارد و از این رو، مهار آن مشکلترست. با این تفسیر به این نتیجه می رسیم که در دور بالا، سوپاپ ورودی دیرتر از دور پایین بسته می شود. موتور طراحی شده برای دور پایین، با افزایش دور به تنفس مناسب دور بالا نمی رسد؛ چون زمان بسته شدن سوپاپ ورودی کمتر از زمان مورد نیاز است.  در موتور با دور موتور رایج بالا، در دور پایین، پس زدن هوای ورودی را در مرحله تراکم شاهد هستیم؛ چون زمان بسته شدن سوپاپ ورودی بیشتر از زمان مورد نیاز است.

  همان طور که دیدیم، زمان بندی ثابت سوپاپها مناسب بازه محدودی از دور موتور است. در زمان بندی متغییر سوپاپها، با افزایش دور موتور، مدت زمان باز و بسته بودن سوپاپها و همپوشانی آنها افزایش می یابد و قابلیت ورود هوا و خروج  گازهای خروجی، بهبود می یابد.

  گشتاور رابطه ای مستقیم با نیروی وارده به پیستون دارد. با افزایش دور موتور، گشتاور افزایش می یابد؛ ولی این افزایش گشتاور، همیشگی نیست و در دورهای بالا، گشتاور کاهش می یابد. مجرمان این کاهش، اول، خاصیت عدم پرکنندگی گاز و عدم تخلیه سریع آن در دورهای بالا و دومی زمان بندی ثابت سوپاپهاست. موتوری با زمان بندی متغییر سوپاپها، سعی دارد مشکل کاهش گشتاور در دورهای بالا را حل کند.

سید علی حسینی