موتور پوشراد OHV چیست و چه مزایا و معایبی دارد؟

موتور درون‌سوز یا احتراق داخلی از زمان پیدایش خود، تحولات عظیمی در حمل‌ونقل، صنعت و جامعه ایجاد کرده و از مفاهیم ابتدایی به نیروگاه‌های پیچیده تکامل یافته است. تاریخچه موتورهای پیستونی مبتنی بر احتراق داخلی به قرن هفدهم بازمی‌گردد، جایی که آزمایش‌های اولیه در زمینه انفجارهای کنترل‌شده انجام شد.

در سال‌های 1678 تا 1679، کریستیان هویگنس، دانشمند هلندی، یک موتور تک‌سیلندر با باروت ساخت که تلاشی اولیه برای بهره‌برداری از نیروی انفجاری برای کار مکانیکی بود. تا دهه 1780، الساندرو ولتا، شیمی‌دان ایتالیایی، تفنگ الکتریکی را توسعه داد که از جرقه برای اشتعال گاز هیدروژن استفاده می‌کرد و پایه‌گذار سیستم‌های اشتعال جرقه‌ای شد. اواخر قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم شاهد نوآوری‌های بیشتری بود، مانند پتنت جان باربر در سال 1791 برای اصل توربین گاز و موتور پیستونی رفت‌وبرگشتی رابرت استریت در سال 1794 که از بخار گازها با اشتعال خارجی استفاده می‌کرد.

یک نقطه عطف مهم در سال 1807 رخ داد، زمانی که برادران فرانسوی نیسفور و کلود نیپس، پیرئولوفور را اختراع کردند؛ یک موتور نمونه اولیه که از انفجارهای کنترل‌شده گردوغبار برای پیشرانش قایقی در رودخانه ساون استفاده می‌کرد. در همان سال، مهندس سوئیسی فرانسوا ایزاک دو ریواز، موتوری با هیدروژن اکسیژن ساخت که بر روی یک کالسکه چرخ‌دار نصب شد و یکی از اولین وسایل نقلیه شبیه به خودرو را تشکیل داد. در سال 1823، ساموئل براون، مهندس بریتانیایی، موتور خلأ گاز را ثبت کرد و کاربرد آن را در حرکت قایق‌ها و کالسکه‌ها نشان داد. انتشار مقاله فیزیک‌دان فرانسوی نیکولا لئونار سادی کارنو در سال 1824 درباره چرخه کارنو، پایه‌های نظری برای کارایی موتورهای حرارتی فراهم کرد.

اواسط قرن نوزدهم نیز پیشرفت‌های عملی به همراه داشت. در سال‌های 1853 تا 1857، اوجنیو بارسانتی و فلیچه ماتئوچی ایتالیایی، موتور پیستون آزاد را اختراع و ثبت کردند که از انفجارهای گاز برای ایجاد حرکت ناشی از خلأ استفاده می‌کرد. موتور اتمسفری گاز ژان ژوزف اتین لنوآر، مهندس بلژیکی فرانسوی در سال 1860 که شبیه به موتور بخار دوطرفه بود، اولین موتور احتراق داخلی تجاری شد و تا سال 1867 حدود 280 واحد از آن تولید شد. در سال 1861، آلفونس بو دو روشاس، مهندس فرانسوی، چرخه چهارزمانه را توصیف کرد، هرچند اختراع او بعداً باطل شد. همچنین نیکولا اوتو و اوژن لانگن آلمانی، موتور اتمسفری چهارزمانه را در سال 1864 تجاری کردند.

اواخر قرن نوزدهم شکل مدرن موتور احتراق داخلی را تثبیت کرد. در سال 1872، جورج بریتون آمریکایی، اولین موتور سوخت مایع را با احتراق فشار ثابت اختراع کرد. نیکولا اوتو به همراه گوتلیب دایملر و ویلهلم میباخ، موتور چهارزمانه شارژ فشرده را در سال 1876 ثبت کردند که منجر به تولید موتور سایلنت اوتو شد. کارل بنز در سال 1879 موتور گاز دوزمانه را ساخت و در سال‌های بعدی اولین خودرو با موتور پیستونی احتراق داخلی را تولید کرد و تولید تجاری را آغاز نمود. موتور اشتعال فشاری رودولف دیزل در سال 1892 نیز جهشی دیگر بود.

قرن بیستم بر محیط‌زیست تمرکز داشت. موتور روتاری فلیکس وانکل در سال 1954 و تزریق سوخت الکترونیکی در دهه 1990 کارایی موتورها را بهبود بخشید. نوآوری‌هایی مانند VTEC هوندا در سال 1989، VVT-i تویوتا در سال 1995 و نسبت تراکم متغیر در دهه 2010 عملکرد این موتورها را ارتقا داد. در قرن 21، نگرانی‌های زیست‌محیطی باعث تولید محصولات هیبریدی، توربوشارژ و نمونه‌های هیدروژنی شده است. امروزه، موتورهای احتراق داخلی همچنان در حال تکامل هستند و البته به سمت برقی سازی حرکت می‌کنند.

موتورهای پوشراد که همچنین به عنوان موتورهای سوپاپ بالای سر OHV شناخته می‌شوند، یک طراحی سیستم سوپاپ در موتورهای احتراق داخلی را نشان می‌دهند که در آن سوپاپ‌ها در سر سیلندر و بالای محفظه احتراق قرار دارند و از موتورهای قدیمی‌تر سر تخت که سوپاپ‌ها در بلوک موتور بودند، متمایز می‌شوند.

در این پیکربندی، میل بادامک در بلوک موتور قرار دارد و حرکت چرخشی آن از طریق لیفترها، پوشرادها (میله‌های فلزی بلند) و اسبک‌ها به سوپاپ‌ها منتقل می‌شود. لوب‌های میل بادامک لیفترها را فشار می‌دهند که به نوبه خود پوشرادها را به سمت بالا حرکت می‌دهند تا اسبک‌ها را بچرخانند و سوپاپ‌های پاپت را باز و بسته کنند. یک زنجیر یا تسمه تایمینگ میل بادامک را به میل‌لنگ متصل می‌کند تا مجموعه در هماهنگی کامل باشد.

تاریخچه موتورهای پوشراد با تکامل سیستم‌های سوپاپ درهم تنیده است. موتورهای اولیه احتراق داخلی، مانند موتور اوتو در سال 1876، از سوپاپ‌های کشویی استفاده می‌کردند، اما سوپاپ‌های پاپت به زودی به استاندارد شدند. اولین موتور OHV در سال 1894 با نمونه اولیه رودولف دیزل ظاهر شد که سوپاپ‌های پاپت بالای سر را با میل بادامک، پوشرادها و اسبک‌ها فعال می‌کرد.

در سال 1898، والتر لورنزو مار، مهندس آمریکایی، یک موتور تک‌سیلندر OHV برای سه‌چرخه ساخت و آن را به بیوک ارائه کرد. بیوک این طراحی را در سال 1904 ثبت کرد و اولین موتور تولیدی OHV جهان را در مدل B معرفی نمود. موفقیت این موتور بر مدل‌های بعدی بیوک تأثیر گذاشت.

این طراحی در اوایل قرن بیستم رواج یافت. موتور چهار سیلندر عمودی برادران رایت در سال‌های 1906 تا 1912 و استفاده شورولت از این نوع موتورها در سال 1911 قابلیت اطمینان آن را برجسته کرد. کالسکه هنری فورد در سال 1896 نیز از چیدمان OHV استفاده می‌کرد. موتورهای سر تخت تا اواسط دهه 1950 بر بازار آمریکا حاکم بودند، اما موتورهای پوشراد OHV پس از جنگ جهانی دوم محبوبیت یافتند. لینکلن و کادیلاک آن‌ها را کمی پس از جنگ معرفی کردند، اما موتور 8 سیلندر بلوک کوچک شورولت در سال 1955 با ۱۶۲ اسب بخار قدرت، این طراحی را محبوب کرد. موتور 8 سیلندر همی کرایسلر در دهه 1950 نیز کارایی موتورهای پوشراد را بیشتر کرد.

تا اواسط دهه 1980، موتورهای پوشراد استاندارد صنعت خودروسازی دیترویت بودند، اما طراحی‌های OHC برای کاربردهای عملکرد بالا آن‌ها را پشت سر گذاشتند. با این حال، موتورهای پوشراد در 8 سیلندرهای آمریکایی باقی ماندند و نوآوری‌هایی مانند زمان‌بندی سوپاپ متغیر در آن‌ها بکار رفت. پیشرفت‌ها در تحلیل محاسباتی، تزریق مستقیم و مواد، طراحی‌ موتورهای پوشراد را رقابتی نگه داشته است، به ویژه در موتورهای بزرگ‌تر که فشردگی و هزینه اهمیت دارد.

موتورهای پوشراد مزایای کلیدی متعددی ارائه می‌دهند که استفاده پایدار آن‌ها را، به ویژه در تولید خودروهای آمریکایی، توضیح می‌دهد. یکی از مزایای اصلی، طراحی فشرده آن‌هاست. با قرار دادن میل بادامک در بلوک موتور، موتورهای پوشراد از سیستم‌های پیچیده‌تر و میل بادامک‌های موتورهای OHC اجتناب می‌کنند و ارتفاع کلی کوتاه‌تر و مرکز ثقل پایین‌تری ایجاد می‌کنند. این فشردگی به تناسبات خودرو کمک می‌کند.

این نوع موتورها همچنین سبک‌تر بوده و هزینه تولید کمتری دارند. با وجود میل بادامک‌های کمتر و اجزای ساده‌تر، موتورهای پوشراد وزن را کاهش می‌دهند و نیاز به ماشین‌کاری کمتری دارند و هزینه‌های تولید را پایین می‌آورند. کارکرد میل بادامک نیز ساده‌تر است و اغلب با زنجیر یا چرخ‌دنده‌های کوتاه و بدون کشنده‌های پیچیده صورت می‌گیرد.

کارایی در دورهای پایین‌تر یکی دیگر از نقاط قوت این موتورها است. موتورهای پوشراد جریان هوا و گشتاور برتر در سرعت‌های پایین را به دلیل پورت‌های ورودی بهینه‌شده فراهم می‌کنند و منجر به احتراق بهتر و کاهش مصرف سوخت می‌شوند. علاوه بر این، تعمیرات موتورها آسان‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است، زیرا ساختار مکانیکی ساده‌تر دارند و دسترسی به اجزا بدون نیاز به برداشتن سر سیلندر امکان‌پذیر است. از طرفی اسبک‌ها اجازه تنظیم نسبت را می‌دهند که می‌تواند لیفت سوپاپ را تغییر دهد و عملکرد را بدون تغییرات عمده بهبود بخشد. این مزایا موتورهای پوشراد را برای کاربردهای سنگین مانند کامیون‌ها و خودروهای عضلانی ایده‌آل می‌کند، جایی که گشتاور پایین و قابلیت اطمینان اولویت دارند.

با وجود مزایا، موتورهای پوشراد معایبی دارند که استفاده آن‌ها را در کاربردهای پرفورمنس محدود کرده است. اصلی‌ترین محدودیت، جرم اجزای پوشراد و اسبک‌ها است که دور موتور را محدود می‌کند و در سرعت‌های بالا باعث ناپایداری می‌شود. این جرم رفت‌وبرگشتی بیشتر در مقایسه با موتورهای OHC، کارایی در دورهای بالا را کاهش می‌دهد و قدرت خروجی را محدود می‌کند.

علاوه بر این، سیستم سوپاپ پیچیده‌تر منجر به جریان هوای ضعیف‌تر و احتراق کمتر کارآمد در سرعت‌های بالا می‌شود که مصرف سوخت و آلایندگی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. موتورهای پوشراد اغلب بزرگ‌ هستند و فضای بیشتری اشغال می‌کنند که در خودروهای کوچک‌تر مشکل‌ساز است. در برخی مدل‌ها تعمیرات ممکن است پیچیده‌تر باشد زیرا دسترسی به میل بادامک نیاز به برداشتن اجزای بیشتری دارد. در نهایت، با پیشرفت فناوری، موتورهای OHC کارایی بالاتری ارائه می‌دهند و موتورهای پوشراد را به کاربردهای خاص محدود می‌کنند.

باید گفت موتورهای درون‌سوز از آزمایش‌های اولیه قرن هفدهم به فناوری‌های پیشرفته امروز تکامل یافته‌اند و موتورهای پوشراد نقش مهمی در این تاریخ ایفا کرده‌اند. با طراحی فشرده، هزینه پایین و گشتاور قوی در دورهای پایین، این موتورها مزایای قابل‌توجهی ارائه می‌دهند، اما محدودیت‌هایی مانند دور موتور پایین و کارایی کمتر در سرعت‌های بالا دارند.

با وجود ظهور جایگزین‌های برقی، موتورهای پوشراد همچنان در بخش‌های خاصی مانند وسایل نقلیه سنگین و خودروهای پرفورمنس آمریکایی باقی مانده‌اند. آینده ممکن است شاهد ادغام این طراحی با فناوری‌های نوین برای بهبود کارایی و پایداری باشد، اما انتقال به سمت انرژی‌های پاک اجتناب‌ناپذیر به نظر می‌رسد. این تکامل نشان‌دهنده تعادل بین سنت و نوآوری در مهندسی خودرو است.