بهبود کارکرد موتور‏هاي درون‌سوز چهار زمانه

نويسنده : حميد ميرعلاء
با اختراع موتور بخار که به وقوع انقلاب صنعتي اروپا انجاميد و پس از آن موتورهاي درون سوز و توسعه و تنوع کاربردي آنها، متخصصان و دانشمندان، همواره کوشيده‏اند تا با افزايش کارايي، بخشي از خسارات سنگيني را که آلايندگي حاصل از اين سيستم ها به طبيعت وارد خواهد كرد جبران کنند و برخورد با بحران پايان يافتن ذخاير سوخت فسيلي را مدت زماني نه‏چندان دراز به تعويق اندازند.
گذشته از طرح‏هايي که در جهت حذف موتورهاي با سوخت فسيلي ارائه شده‏اند، طرح‏ها و ايده‏هاي بسياري براي افزايش کارايي و بازدهي موتورها، افزايش کيفيت قطعات (ورود علم متالوژي) و نوع سوخت (پتروشيمي)، کيفيت طراحي مهندسي (علم مکانيک)، حضور صنعت رايانه در مرحله طراحي قطعات و مديريت عملکرد موتور و اعمال استانداردهاي جهاني که تعريف مشخصي از کيفيت موتورهاي درون‏سوز را ارائه داده‏اند، اجرا شده‏اند و باعث ارتباط و انسجام انکارناپذير صنعت خودرو با ديگر صنايع پايه‏اي و مادر شده‏اند.
اين طرح، بيان نوآوري به منظور بهبود کارکرد موتورهاي درون‌سوز چهار زمانه با تغيير در نحوه کار سوپاپ‏ها مي‏باشد. اين بهينه‏سازي به شکل تغيير در ميزان باز و بسته شدن سوپاپ‏ها در شرايط متفاوت کارکرد موتور، در دورهاي پايين و بالا در اين پروژه، انجام شده است. به همين دليل از اين طرح با عنوان VOV ياد شده است. VOV، حروف اول سه کلمه انگليسي variable opening valve و به معني سوپاپي (دريچه‏اي) است که ميزان باز و بسته‏شدن آن متغير است. اين طرح باعث سرعت و سهولت بخشي به‏کار پيستون‏ها هنگام مکش سوخت و هوا و تخليه دود شده و در نتيجه تاثيري چشم‏گير، برقدرت و شتاب موتور بويژه در دورهاي بالا مي‏گذارد.
همچنين حجم زيادي از قطعات به کار رفته در سيستم‏هاي ديگري که براي رفع اين نقيصه (گرفته شدن مقداري از انرژي پيستون و در نتيجه ميل‌لنگ و در نهايت موتور به هنگام انجام مراحل مکش و تخليه به‏خصوص در دورهاي بالا) طراحي شده‏اند را کاهش داده و برکارايي آنها افزوده است.

نگاهي گذرا به سيستم vov و مشکلات و کاستي‏هاي سيستم کنوني
هنگامي که راننده پاي خود را بر روي پدال گاز مي‏فشارد، با چرخش پولک دريچه گاز و بازشدن آن، تعداد دورهاي موتور بر دقيقه افزايش مي‏يابد. اين سيستم با افزايش دور موتور، سوپاپ‏ها را بيشتر مي‏فشارد (فنر سوپاپ‏ها را جمع‏تر مي‏کند) تا با بازتر شدن دريچه‏ها، عمل مکش و تخليه در موتور توسط پيستون‏ها سريع‏تر انجام شود. زيرا هنگامي که موتور با دور بيشتري مي‏چرخد پيستون‏ها عمل مکش و تخليه را در مدت زمان کمتري انجام مي‏دهند و اگر دريچه‏ها و سوپاپ‏ها به گونه‏اي باشند که پيستون در مدت زمان مشخص نتواند مخلوط هوا و سوخت را به سيلندر بکشد يا دود را از آن خارج کند، به ناچار آن را در دوره‏ زماني طولاني‏تري انجام مي‏دهد و چون پيستون براي انجام مراحلي که کار مکانيکي انجام نمي‏دهد، (يعني مراحلي که در موتور انرژي شيميايي به انرژي مکانيکي تبديل نمي‏شود که عبارتند از: مکش، تراکم و تخليه) انرژي و نيروي مورد نياز خود را از راه ميل لنگ از سيلندرهاي (پيستون‏هاي) ديگر مي‏گيرد، شتاب و قدرت موتور کاسته خواهد شد.
سيستم فعلي موجود براي رفع مشکل ياد شده به اين صورت است که در آن به جاي آن که در سرسيلندر، براي هر سيلندر يک دريچه تنفس (براي ورود هوا و سوخت) و يک دريچه دود (براي خروج دود و گازهاي حاصل از احتراق سوخت) وجود داشته باشد (مانند موتورهاي پيکان، پژو مدل GLX و... شكل 1) دو دريچه تنفس و دو دريچه دود (موتور پژو پارس مدل ELX. شكل2) يا دو دريچه تنفس و يك دريچه دود (موتور هيونداي، مدل ورنا. شكل3) و يا سه دريچه تنفس و دو دريچه ي دود (سيستم معمولا در موتور خودروهاي سوپر اسپرت به كار گرفته مي‏شود) وجود دارد. . هرچند اين سيستم، مشكل را تا اندازه‏اي زياد حل مي‏كند و با ايجاد فضاي كافي در دريچه‏ها از طريق تعدد آنها كار پيستون را براي مكش و تخليه آسان‏تر ساخته است، اما معايبي نيز دارد كه عبارتند از:
1. افزايش سايش و اصطكاك به دليل ازدياد قطعات موتور (افزايش سوپاپ‏ها، فنر سوپاپ و درمواردي تعداد ميل بادامك‏ها و اسبك‏ها)
2. فرسودگي زودرس به دليل افزايش اصطكاك و ايجاد حفره‏ها (سيت‏ها، نشيمنگاه‏ها) يا دريچه و افزايش احتمال خطا، نشتي و آب‌بندي سوپاپ‏ها.
3. پيچيدگي سرسيلندر و مشكلاتي كه اين پيچيدگي در تعميرات موتور و روان‌سازي (روغن‌كاري) قطعات ايجاد مي‏كند.


تعدد سوپاپ‏ها باعث افزايش متعلقات سوپاپ از جمله فنر سوپاپ، پولكي سوپاپ، خار سوپاپ، سيت،گيت، واشر گيت و ... خواهد شد و اين امر موجب پيچيدگي سرسيلندر مي‏شود. همچنين به علت زياد شدن شمار سوپاپ‏ها در سرسيلندر، فضاي كافي براي قرار گرفتن سوپاپ‏ها به صورت رديفي و در يك رديف باقي نمي‏ماند و سوپاپ‏ها به ناچار در دو يا حتي سه رديف قرار مي‏گيرند. طبعاً تعداد ميل بادامك‏ها نيز به دو يا سه عدد افزايش خواهد يافت كه باعث افزوده شدن اصطكاك و سايش مي‏شود. از آنجا كه در اين گونه سيستم‏ها و اصولاً در موتورهايي كه جديداً طراحي مي‏شوند، ميل بادامك‏ها در سرسيلندر قرار دارند و پيچيدگي سرسيلندر به نهايت خود مي‏رسد.
با افزايش قطعات متحرك، در دستگاه‏هاي مكانيكي، اصطكاك افزوده مي‏شود و به تبع آن فرسودگي و استهلاك زودتر به سراغ دستگاه خواهد آمد. در اين مورد نيز با افزايش تعداد ميل بادامك‏ها، به شمار بادامك‏ها افزوده خواهد شد و در پي آن سايش و اصطكاك بين بادامك‏ها و پولكي‏هاي سوپاپ‏ها و ياتاقان‏هاي ميل بادامك‏ها بيشتر خواهد شد. بنابراين به ناچار براي دفع اين سايش و حرارت ناشي از آن سيستم روغن‏‌كاري و مجراهاي عبور روغن موجود در سرسيلندر، پيچيده‏تر شده و پمپ روغن بايد به گونه‏اي تقويت شود كه در روغن رساني به قطعات اضافه، دچار مشكل نشود.
مشكل ديگري كه تعدد سوپاپ‏ها ايجاد مي‏كند، آسيب‏پذيرتر شدن سرسيلندر در برابر ضربات و فشار ناشي از انفجارهاي متعدد در اتاقك انفجار است. زيرا هنگامي كه در سرسيلندر، در بالاي هر سيلندر به جاي 2 سوپاپ، 3/4 يا 5 سوپاپ، 3/4 يا 5 سيت يا حفره وجود داشته باشد از مقاومت و استحكام سرسيلندر كاسته شده و درصد احتمال خطا و نشتي در آب‏بندي سوپاپ‏ها، افزايش مي‏يابد. عامل ديگري كه باعث تمايز سيستم vov از سيستم كنوني مي‏شود، تنظيم ميزان مصرف سوخت در سرعت‏هاي مختلف موتور است. موتورهاي معمولي كاربراتور (انژكتور) و سيستم آوانس خلائي هر يك به گونه‏اي مقدار سوخت مصرفي موتور را با توجه به سرعت آن تنظيم مي‏كنند، اما در موتوري كه به سيستم vov مجهز شده است، سوپاپ‏ها نيز در تنظيم ميزان مصرف سوخت، نقش دارند. به گونه‏اي كه مقدار سوخت مخلوط با هوا با عبور از دريچه‏هايي كه ميزان باز و بسته‏شدن آنها با تغيير سرعت چرخش موتور تغيير مي‏كند، براي مصرف موتور و احتراق، تنظيم مي‏شود. به اين ترتيب كارايي موتور به نسبت مصرف آن افزايش مي‏يابد. درحالي كه سيستم فعلي فاقد چنين امكاني است.

طرز كار سيستم VOV
در سيستم vov ميل بادامك در سرسيلندر قرار دارد و به واسطه يك اهرم، نيروي خود را به سوپاپ‏ها منتقل مي‏كند، اما اهرم‏ها يا اسبك‏هاي سيستم vov با اسبك‏هاي موجود در موتورهاي فعلي متفاوت است. قسمت انتهايي اسبك كه محل اعمال نيرو از طرف بادامك‏ها به آن مي‏باشد، كشيده و به‏صورت ريلي است، بادامك‏ها به راحتي زير آن سر مي‏خورند و به عقب و جلو مي‏روند، بدون آنكه خللي در روند انتقال نيروي آنها به اسبك‏ها وارد شود

تكيه‏گاه اين اهرم (اسبك) كه ميل اسبك است ثابت بوده و محل سوپاپ‏ها تغيير نمي‏كند. بنابراين بازوي كارگر اين اهرم ثابت است. اگر ميل بادامك - كه موازي ميل اسبك است - در راستاي عمود بر ميل اسبك به عقب و جلو برود (شكل6). بازوي مقاوم اهرم، كوچك‏تر يا بزرگ‏تر مي‏شود. بنابراين دامنه نوسان سوپاپ‏ها تغيير مي‏كند و در نتيجه ميزان باز شدن دريچه‏ها قابل تغيير است. به گونه‏اي كه هر چه فاصله ميل بادامك از ميل اسبك كمتر باشد، سوپاپ‏ها بيشتر فشرده مي‏شوند و با دامنه بيشتري نوسان مي‏كنند و هر چه ميل بادامك از ميل اسبك دورتر شود، دامنه نوسان كاسته شده و درحقيقت دريچه كمتر باز مي‏شود. در اين هنگام اگر سرعت چرخش ميل‏ لنگ، افزايش يابد vov ميل‏ بادامك را به ميل اسبك نزديك‏تر مي‏كند و به همان نسبت اگر سرعت چرخش ميل ‏لنگ كاهش يابد، ميل بادامك را از ميل اسبك دور مي‏كند. .مسئله‏اي كه وجود دارد اين است كه چگونه مي‏توان نيرو را از ميل‏لنگ به ميل بادامك در حالي كه هم حركت وضعي (چرخش به دور خود) و هم حركت انتقالي (حركت به عقب و جلو در راستاي عمود بر ميل اسبك) دارد منتقل كرد. به گونه‏اي كه تايمينگ ميل بادامك و در نهايت سوپاپ‏ها به هم نخورد.

اين مشكل با قرار دادن چند چرخ‏دنده مخروطي و محوري كشويي در راه انتقال نيرو و حركت از ميل‏ لنگ به بادامك حل شده است. به اين صورت كه چرخ‏دنده ميل لنگ توسط زنجيري چرخ‏دنده‏اي كه قطر آن 2 برابر قطر خود است و محور آن (محور زرد رنگ) در سر سيلندر قرار دارد را به چرخش در مي‏آورد. به اين ترتيب، نيرو از سيلندر به سرسيلندر كه محل قرار گرفتن اسبك‏ها و ميل بادامك مي‏باشد منتقل مي‏شود و تعداد دورهاي ميل بادامك نسبت به ميل لنگ (1 به 2) نيز تنظيم مي‏شود. روي محور زرد رنگ كه موازي ميل بادامك است، چرخ‏دنده‏اي مخروطي با شيب دامنه 45 درجه قرار دارد. (چرخ‏دنده قرمز). روي محور ديگري (محور خاكستري) كه بر محور زرد رنگ عمود است، چرخ‏دنده‏اي يكسان با چرخ‏دنده مخروطي روي محور زرد قرار دارد (چرخ‏دنده آبي). اين دو چرخ‏دنده با يكديگر درگير مي‏شوند و از آنجا كه شيب دامنه‏هاي آنها متمم يكديگرند، محور چرخش 90 درجه تغيير مي‏كند و بر ميل بادامك عمود مي‏شود. عملكرد اين چرخ‏دنده‏ها در تغيير 90 درجه‏اي محور چرخش نظير عملكرد ديفرانسيل در تغيير 90 درجه‏اي چرخ‏ها (اكس‏ها) و ميل گاردون توسط پينيون و كرانويل مي‏باشد. با اين تفاوت كه در اينجا برخلاف ديفرانسيل، تغييري در نسبت چرخش يك محور به محور عمود برآن به وجود نيامده و نسبت چرخش دو محور عمود بر هم يك مي‏باشد.
در انتهاي محور خاكستري رنگ، چرخ‏دنده مخروطي ديگر (چرخدنده نارنجي) وجود دارد كه با چرخ‏دنده مخروطي متصل به انتهاي ميل بادامك (چرخ‏دنده سبز) درگير است. به اين ترتيب، محور چرخش دوباره 90 درجه تغيير مي‏كند و به حالت اول باز مي‏گردد. زيرا اين چهار چرخ‏دنده (قرمز، سبز، نارنجي و آبي) كاملاً يكسان هستند و نسبت چرخش محور مبدا (محور زرد رنگ) به محور مقصد (ميل بادامك) يك است. يعني با يك دور چرخش محور زرد، ميل بادامك يك دور مي‏چرخد.
محور خاکستري که در دو طرف آن چرخ دنده‏هاي مخروطي نارنجي و آبي قرار دارند، محوري کشويي است. به اين ترتيب، طول محور خاکستري رنگ در حين چرخش مي‏تواند کم يا زياد شود و چرخ دنده نارنجي و به تبع آن چرخ‏دنده ميل بادامک و در نهايت ميل بادامک را به عقب و جلو ببرد. همچنين نيرو و چرخش را از محور زرد به ميل بادامک منتقل کند.
دستگاهي که در ادامه معرفي خواهد شد، با حرکت دادن کشوي يک سيني که مجموعه ميل بادامک و ياتاقان‏هاي آن و نيمي از محور کشويي که چرخ دنده مخروطي سبز به آن متصل است و ياتاقان آن (ياتاقان سفيد) روي آن قرار دارد، ميل بادامک را - به منظور تنظيم ميزان باز شدن سوپاپ‏ها با توجه به سرعت چرخش ميل‌لنگ- از ميل اسبک دور ساخته يا به آن نزديک مي‏کند.
هنگامي که موتور روشن است، پولي يا قرقره‏اي که به گردن ميل‌لنگ متصل است مي‏چرخد و نيروي آن توسط تسمه - يا تسمه‏هايي - به پولي‏هاي دينام، واترپمپ، کولر، پمپ هيدروليک فرمان و در موتورهاي فاقد فن الکتريکي براي خنک کردن رادياتور، به پروانه منتقل مي‏شود و آنها را به چرخش در مي‏آورد . در سيستم vov قسمتي از انرژي الکتريکي توليد شده توسط دينام، موتور الکتريکي را که روي سرسيلندر واقع است فعال مي‏کند . وضعيت اين موتور الکتريکي روي سرسيلندر به گونه‏اي است که محور آن بر ميل بادامک عمود بوده و به يک مارپيچ متصل است. با حرکت محور، موتور الکتريکي مارپيچ به چرخش درآمده و چرخ‏دنده‏اي را که با آن درگير است به حرکت در مي‏آورد. اين چرخ‏دنده با يک دنده شانه‏اي درگير است با چرخش اين چرخ‏دنده توسط مارپيچ، دنده شانه‏اي به جلو يا عقب رانده مي‏شود و به اين ترتيب، دنده شانه‏اي حرکت چرخشي موتور الکتريکي را به حرکت کشويي يا رفت و برگشتي، تبديل مي‏کند. از آنجا که انتهاي دنده شانه‏اي به سيني متصل است، سيني نيز همراه با دنده شانه‏اي حرکت کشويي بر روي سرسيلندر خواهد داشت و موتور الکتريکي مي‏تواند با چرخش خود به چپ يا راست، سيني و در نتيجه ميل بادامک را در راستاي عمود بر ميل اسبک به ميل اسبک نزديک و يا از آن دور کند

سوالي که مطرح مي‏شود اين است که چرا از مارپيچ و چرخ دنده در راه انتقال نيروي موتور الکتريکي به سيني استفاده شده است، در حالي که چرخ‏دنده و دنده شانه‏اي به تنهايي و بدون مارپيچ مي‏توانستند حرکت چرخشي موتور الکتريکي را پس از تبديل به حرکت رفت و برگشتي به سيني، منتقل کنند و سيني را روي سرسيلندر به ميل اسبک نزديک و يا از آن دور سازند؟ از کاربردهاي مارپيچ و چرخ دنده، يک سو کردن جهت انتقال نيرو است. يعني نيرو و حرکت از طريق مارپيچ به چرخ‏دنده، سپس به دنده شانه‏اي و در نهايت به سيني منتقل مي‏شود، اما نيرويي که از چرخ‏دنده به مارپيچ منتقل مي‏شود، باعث به حرکت درآمدن آن نمي‏شود. از ديگر کاربردهاي مارپيچ و چرخ‏دنده، افزايش نيرو در هنگام انتقال آن با استفاده از اين روش است. دليل استفاده از اين روش، در انتقال نيروي موتور الکتريکي به سيني، تقويت نيروي موتور الکتريکي در حرکت دادن سيني - به صورت کشويي - روي سرسيلندر، مهار ضربات و لرزش‏هاي ناشي از برخورد بادامک‏ها به اسبك‌ها و پيشگيري از انتقال اين گونه نيروهاي ناخواسته به موتور الکتريکي مي‏باشد.
در انتهاي ديگر محور موتور الکتريکي، چرخ دنده‏اي قرار دارد که با چرخ‏دنده‏اي که قطر آن دوبرابر قطر خود مي‏باشد درگير بوده و چرخ‏دنده بزرگ‏تر با دنده‏اي شانه‏اي درگير است. اين دنده شانه‏اي با چرخش موتور الکتريکي به عقب رانده مي‏شود و انتهاي فنري تلسکوپي را که سر ديگر آن در قسمتي از سرسيلندر ثابت شده است مي‏فشارد (شكل14). در حقيقت اين فنر، در مقابل چرخش موتور الکتريکي مقاومت مي‏کند و در صورت کاهش سرعت چرخش ميل لنگ و در نتيجه کاهش انرژي الکتريکي توليد شده توسط دينام، موتور الکتريکي را در جهت خلاف چرخش آن مي‏چرخاند، به هنگام افزايش سرعت موتور، انرژي الکتريکي افزايش يافته حاصل از دينام، موتور الکتريکي دوباره فنر را از طريق چرخ‏دنده‏ها و دنده شانه‏اي مي‏فشارد و در ضمن سيني و ميل بادامک را نيز به ميل اسبک نزديک مي‏کند (شكل15). اين فرايند با تغيير سرعت چرخش موتور تکرار مي‏شود و سيني و ميل بادامک، در وضعيت مناسب براي حرکت دادن اسبک‏ها و باز کردن سوپاپ‏ها قرار مي‏گيرند.
شكل 14
شكل 15
اين فنر تلسکوپي، وظيفه برگرداندن سيني به وضعيت اول - يا دور کردن ميل بادامک از ميل اسبک - در صورت کاهش سرعت چرخش موتور و انرژي الکتريکي حاصل از دينام را بر عهده دارد.
براي چرخاندن مارپيچ جهت به حرکت درآوردن سيني، روش‏هاي مختلفي پيش‏بيني شده که تنها به توضيح روش بالا بسنده شده است. زيرا از روش‏هايي که به طور اجمالي معرفي خواهد شد، ساده‏تر و عملي‏تر به نظر مي‏رسد.
يکي از اين روش‏ها، استفاده از سيستم سرعت‌سنج خودرو براي چرخش مارپيچ به جاي منحرف کردن عقربه سرعت‌سنج است. با اين تفاوت که چرخ دنده و حلزوني سرعت سنج به جاي نصب شدن به شافت گيربکس براي نشان دادن سرعت خودرو بايد به ميل‌لنگ نصب شده در حلزوني پشت صفحه مدرج سرعت‌سنج تقويت شده و به مارپيچ سيستم vov در سرسيلندر متصل شود. روش ديگر استفاده از سيستم دورسنج موتور است که انرژي الکتريکي خود را براي انحراف عقربه دورسنج از مدار جرقه خودرو و از طريق دلکو مي‏گيرد. در اين صورت مي‏توان با تقويت اين سيستم از نيروي مورد استفاده براي چرخش عقربه، براي چرخش مارپيچ سيستم vov استفاده کرد.
روش آخر، استفاده از پمپ هيدروليک و جک هيدروليک متصل به سيني است. اين پمپ که نيروي خود را توسط تسمه و قرقره (پولي) از ميل لنگ مي‏گيرد، با افزايش سرعت چرخش موتور تقويت مي‏شود و جک را فعال مي‏کند تا سيني را جا به جا کند. فنري نيز در برابر جک مقاومت مي‏کند و درصورت کاهش دور موتور نيروي حاصل از انرژي پتانسيل کشساني ذخيره شده در فنر به سيني و جک وارد مي‏شود. در نتيجه سيني و ميل بادامک را به حالت اول (دور از ميل اسبک که در حالت خاموشي موتور، ميل بادامک در دورترين فاصله خود از ميل اسبک قرار دارد) باز مي‏گرداند.
مقايسه سيستم vov با سيستم کنوني و بررسي مزيت‏هاي هر يک
در اين مقاله، سيستمي ابداعي با عنوان vov معرفي شد. vov در مقابل سيستمي است که هم‏اکنون در بعضي موتورها استفاده مي‏شود.
در مواردي استفاده از سيستم تعدد سوپاپ‏ها يا سيستم‏هاي معمولي، مقرون به صرفه‏تر، مناسب‏تر و کارآمدتر است. براي مثال هنگامي که يک موتور - مانند موتورهايي که براي تلمبه کردن آب از چاه‏هاي عميق به سطح زمين (کفکش‏ها)- استفاده مي‏شوند، بايد به مدت طولاني با سرعت ثابت کار کند و شرايط پيستون‏ها به هنگام مکش و تخليه در تغيير نيست، ضرورتي در استفاده از سيستم vov و حجم انبوه قطعات اضافي آن وجود ندارد. در ماشين‏هاي سنگين و نيرومند راه‏سازي و ساختمان‌سازي نظير: جرثقيل‏ها، بولدوزرها، لودرها، تراکتورها و ... که موتور آنها به دليل شرايط سخت کاري اغلب در دورهاي بالا کار مي‏کند، vov کارايي لازم را نخواهد داشت.
بنابراين سيستم ابتکاري vov براي خودروهاي سواري و تندرو مناسب است که موتور آنها در شرايط مختلف رانندگي در سرعت‏هاي بالا يا پايين، در جاده‏ها يا شهرها و به هنگام تعويض دنده، دائماً تغيير سرعت مي‏دهد و شرايط پيستون‏ها و سرعت آنها براي انجام فرايند تبديل انرژي پتانسيل شيميايي سوخت، به انرژي مکانيکي در حال تغيير است.