آشنایی با سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ یا VVT

در این مطلب قصد داریم با سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ یا VVT آشنا شویم و به شیوهٔ کارکرد و مزیت‌های آن بپردازیم.

همچنین بخوانید: سوپاپ ماشین چیست و چه نقشی در عملکرد موتور دارد؟

سوپاپ در موتور ماشین

پیش از آنکه به سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ بپردازیم بهتر است ابتدا با خود سوپاپ آشنا شویم. سوپاپ‌ها در پیشرانه خودرو وظیفه وارد کردن مخلوط سوخت و هوا به داخل سیلندرها و خارج کردن دود را بر عهده دارند. بسته به نوع پیشرانه، هر سیلندر می‌تواند دو، سه، چهار یا پنج سوپاپ داشته باشد. سوپاپ‌ها که در بالای محفظه احتراق قرار دارند، از طریق چرخش میل بادامک که با تسمه یا زنجیر تایم به میل‌لنگ متصل است، در زمان مشخصی باز و بسته می‌شوند. در هر سیلندر، یک یا دو سوپاپ برای ورود هوا وجود دارد که به آن سوپاپ هوا یا ورودی گفته می‌شود و یک یا دو سوپاپ هم برای خروج دود تعبیه می‌شود که سوپاپ دود یا خروجی نام دارد. به میزان ارتفاعی که سوپاپ باز می‌شود هم لیفت گفته می‌شود.

سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ

در پیشرانه‌های عادی، مدت‌زمان باز و بسته شدن سوپاپ‌ها همیشه ثابت و یکسان است و توسط چرخش بادامک‌هایی که روی میل بادامک تعبیه شده باز شده و از طریق فشار فنر بسته می‌شوند. این مدت‌زمان ثابت باز و بسته شدن سوپاپ‌ها اما فقط در یک دور موتور خاص بیشترین بازدهی را دارد و در دور موتورهای پایین‌تر یا بالاتر از آن نمی‌تواند حداکثر بازدهی را ارائه کند. به‌عنوان‌مثال، در دور موتور بالا و در مرحله مکش، پس از رسیدن پیستون به پایین‌ترین نقطه، سوپاپ هوا بسته می‌شود و به‌این‌ترتیب نمی‌توان هوا و سوخت بیشتری را به موتور تزریق کرد. در این شرایط با توجه به سرعت بالای حرکت پیستون، هوا و سوخت زمان کافی برای ورود به محفظه احتراق را ندارند و در حقیقت پیش از آنکه حجم کافی و مناسبی از هوا و سوخت وارد محفظه احتراق شود سوپاپ بسته می‌شود. این یعنی در دور موتور بالا، مدت‌زمان ثابت باز و بسته شدن سوپاپ‌ها در اغلب موارد باعث پر شدن کامل و کافی سیلندر از مخلوط سوخت و هوا نمی‌شود و بنابراین پیشرانه در آن دورها راندمان حداکثری نخواهد داشت.

بنابراین نیاز به سیستمی برای کنترل دقیق مدت‌زمان باز و بسته شدن سوپاپ‌های در دورهای مختلف احساس می‌شد. بدین منظور، خودروسازان از سیستم جدیدی بنام زمان‌بندی متغیر سوپاپ یا Variable Valve Timing استفاده کردند که به‌طور مخفف VVT نامیده می‌شود. سیستم زمان‌بندی متغیر باز و بسته شدن سوپاپ‌ها با اثرگذاری روی یک میل بادامک یا هردو میل بادامک، مدت‌زمان باز و بسته ماندن سوپاپ‌ها را کنترل می‌کند. بدین ترتیب، با تعریف زمان‌بندی‌های مختلف در دورهای پایین و بالای موتور برای سیستم، می‌توان مدت‌زمان باز و بسته ماندن سوپاپ‌ها را در دورهای مختلف تغییر داد. با این سیستم، سوپاپ هوا می‌تواند بدون توجه به موقعیت قرارگیری پیستون زمان بیشتری باز بماند. به‌طورکلی، این سیستم می‌تواند بسته به دور موتور، سوپاپ‌های هوا را زودتر یا دیرتر ببندد و یا سوپاپ‌های دود را دیرتر یا زودتر ببندد. این فرآیند سبب افزایش بازدهی موتور شده و همچنین تأثیری مثبت در احتراق کامل‌تر، کاهش آلایندگی‌های خروجی و کاهش مصرف سوخت خواهند داشت.

انواع سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ

سیستم‌های زمانی بندی متغیر سوپاپ اساساً به دو دسته زمان‌بندی گسسته و زمان‌بندی پیوسته تقسیم می‌شوند. سیستم‌های اولیه زمان‌بندی متغیر سوپاپ فقط دو تعریف مختلف برای مدت‌زمان باز و بسته کردن سوپاپ‌ها داشتند. در این سیستم‌ها که زمان‌بندی متغیر گسسته نام دارند، به‌عنوان‌مثال یک زمان‌بندی خاص برای دورهای کم‌تر از ۳۵۰۰ rpm و یک زمان‌بندی دیگر برای دورهای بالاتر از ۳۵۰۰ rpm در نظر گرفته شده بود. در سیستم‌های پیشرفته‌تر امروزی اما زمان‌بندی متغیر از نوع پیوسته است. در این نوع سیستم، تعداد بی‌نهایت زمان‌بندی مختلف برای دور موتورهای گوناگون تعریف شده است که هر زمان‌بندی برای دور موتور خاصی بهینه و مناسب است. این سیستم سبب کارکرد موتور در بهینه‌ترین حالت ممکن در هر دور موتور شده و افزایش بازدهی، کاهش آلایندگی و کاهش مصرف سوخت را به دنبال خواهد داشت. سیستم زمان‌بندی متغیر ابتدا فقط برای سوپاپ‌های هوا استفاده می‌شد اما بعداً سوپاپ‌های دود هم از این سیستم بهره‌مند شدند و سیستم زمان‌بندی متغیر دوگانه شکل گرفت. تویوتا یکی از پیشگامان استفاده از این سیستم دوگانه بود و برای اولین بار در سال ۱۹۹۸ این سیستم را با نام Dual VVT-i در پیشرانهٔ ۲ لیتری چهار سیلندر نسل اول لکسوس IS ارائه کرد.

تاریخچه سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ

نیاز به تغییر مدت‌زمان باز شدن سوپاپ مطابق با دور موتور برای اولین بار در دههٔ ۲۰ میلادی آشکار شد یعنی زمانی که ردلاین پیشرانه‌ها به‌مرور در حال افزایش بود زیرا تا پیش‌ازاین، دور موتورها در هنگام حرکت خیلی بیشتر از حالت درجا نبود و نیاز چندان به زمان‌بندی متغیر سوپاپ احساس نمی‌شد. این سیستم نیز ابتدا در خودروهای مسابقه‌ای مورداستفاده قرار گرفت و آلفارومئو اولین شرکتی بود که در سال ۱۹۸۰ در خودرویی تولیدی از سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ استفاده کرد. در سال ۱۹۹۲ نیز پورشه برای اولین بار سیستم زمان‌بندی پیوسته را ارائه کرد. تا پیش‌ازاین، سیستم‌های VVT همگی از نوع گسسته بودند. سیستم پیوستهٔ پورشه در مدل ۹۶۸ ارائه شد و فقط روی سوپاپ‌های هوا کار می‌کرد.

شیوه کارکرد سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ

نحوه عملکرد سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها به این صورت است که انتهای میل بادامک‌ها به یک روتور معمولاً چهار پره متصل است و این روتور داخل محفظه‌ای موسوم به روتور بیرونی قرار گرفته است. روتور بیرونی با اتصال از طریق تسمه یا زنجیر تایم به میل‌لنگ، چرخش می‌کند و روتور داخلی به میل بادامک متصل است. فضای خالی بین پره‌های روتور داخلی و خارجی هم با روغن پر می‌شود که فشار این روغن توسط یک مدار کنترل می‌شود. زمانی که نیاز به تغییر در زمان‌بندی باز و بسته شدن سوپاپ‌ها وجود دارد، با تغییر در فشار روغن بین روتورها، موقعیت روتور داخلی نسبت به روتور خارجی تغییر می‌کند و درنتیجه، موقعیت قرارگیری بادامک‌ها نسبت به سوپاپ‌ها عوض می‌شود. به‌این‌ترتیب در زمان‌بندی باز و بسته شدن سوپاپ‌ها تغییر ایجاد می‌شود.

کدام پیشرانه‌های ایرانی به سیستم VVT مجهز هستند؟

هرچند پیشینهٔ استفاده از سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ به دههٔ ۸۰ میلادی بازمی‌گردد اما ازآنجایی‌که صنعت خودروسازی کشورمان دهه‌ها از جهان عقب است، در پیشرانه‌های داخلی این سیستم را اولین بار در اواخر دههٔ ۸۰ شمسی دیدیم. اولین موتور داخلی که از این سیستم بهره می‌برد، موتور EF7 ایران‌خودرو بود. برای بیش از یک دهه، EF7 تنها موتور داخلی با سیستم VVT بود اما چند سال پیش، ایران‌خودرو نسخهٔ ارتقاءیافتهٔ پیشرانهٔ TU5 که با نام TU5 پلاس شناخته می‌شود را هم به این سیستم مجهز کرد. به‌تازگی هم سایپا در نسخهٔ ارتقاءیافتهٔ موتور M15 که در اطلس، سهند و کوییک GX ارائه می‌شود از سیستم VVT استفاده کرده است.