سیستم VVT چیست و چگونه کار می کند؟

نویسنده: علیرضا کرامتیان، سرپرست پشتیبانی فنی و خدمات پس از فروش شرکت رنوپارس

فرآیند مکش، تراکم، احتراق و تخلیه در موتورهای احتراق داخلی چهار زمانه موجب ایجاد گشتاور در میل لنگ می شود، مهندسین این حوزه با توجه به نوع کاربرد، شرایط، محدودیت ها و استانداردهای موجود، همواره اقدام به طراحی و نوآوری های جدید نموده و هدف آنها ارتقاء عملکرد و رسیدن به موتوری است که حداکثر بهره وری(Efficiency)، حداقل مصرف سوخت(Fuel Consumption) و کمترین آلایندگی(Pollution) را داشته باشد.

روند افزایش بهره وری، کاهش مصرف سوخت و به حداقل رساندن میزان آلایندگی به مرور زمان و بطور مستمر انجام شده است. یکی از کارهائی که انجام شده است و تحولی عظیم در افزایش قدرت و گشتاور موتور بوجود آورده است، استفاده از سیستمی به نام VVT است که موجب افزایش راندمان حجمی در دورهای بالا می شود. این سیستم به نام زمان بندی متغیر سوپاپها و یا Variable Valve Timing معروف است و بعضی شرکت های خودروساز از جمله شرکت رنو به آن سیستم Camshaft Dephaser می گویند.

تصور کنید یک خودرو در یک جاده با سرعت حدود 50  کیلومتر بر ساعت در حال حرکت است، در این وضعیت دور موتور حدود 1500rpm می باشد، یعنی میل لنگ در هر دقیقه 1500 دور می چرخد، اگر عدد 1500 را بر 60 تقسیم کنیم، عدد 25 بدست می آید که سرعت چرخش موتور در هر ثانیه است و با توجه به اینکه سرعت چرخش میل سوپاپ نصف سرعت گردش میل لنگ می باشد، با تقسیم عدد 25  بر دو، سرعت چرخش میل سوپاپ محاسبه می گردد. یعنی در این شرایط میل سوپاپ ها در هر ثانیه 12.5 دور می چرخند و سوپاپ های دود و هوا هر کدام حدود 12 بار در هر ثانیه باز و بسته می شوند.

اگر دور موتور باز هم افزایش یابد، تعداد دفعات باز و بسته شدن سوپاپ ها نیز زیاد خواهد شد، با توجه به اینکه ورود هوا و بنزین در موتورهای با تنفس طبیعی (که به سیستم توربوشارژر مجهز نیستند) در اثر ایجاد خلاء نسبی و به سبب پائین رفتن پیستون در داخل سیلندر، انجام می گیرد، زمانی که سرعت باز و بسته شدن سوپاپِ هوا افزایش می یابد، فرصتِ ورود مخلوط هوا و بنزین به داخل سیلندر کاهش خواهد یافت، به عبارت دیگر در سرعت های بالا، آنقدر سرعت باز و بسته شدن سوپاپ زیاد می شود که مخلوط هوا و بنزین نمی تواند به اندازه مورد نیاز به داخل سیلندر راه یابد، این وضعیت موجب می شود تا راندمان حجمی کاهش یابد.

اگر با خودروئی که مجهز به این سیستم نباشد، رانندگی کنید به سادگی می توانید این وضعیت را حس کنید و این نکته را باید در نظر داشته باشید که لزومی ندارد تا برای تجربه این حالت از دنده های خیلی سبک استفاده کنید، بهترین دنده برای اینکه بطور عملی کاهش راندمان حجمی را تجربه کنید، دنده سه می باشد، تا زمانیکه پدال گاز را تا حدود سه چهارمِ کورسِ خود فشار می دهید، موتور به خوبی عکس العمل نشان داده و دور موتور و نهایتا سرعت خودرو افزایش می یابد ولی وقتی پدال گاز را حدود سه چهارم فشرده اید، اگر آنرا باز هم فشار دهید، به راحتی می توانید حس کنید که موتور مانند حالتی که پدال گاز را تا سه چهارم فشار داده اید، به شما پاسخ نمی دهد. به عبارت دیگر روند افزایش سرعت خودرو در زمانیکه پدال گاز از حدود سه چهارم به بعد، فشرده می شود، مانند زمانی نیست که پدال گاز را تا حدود سه چهارم فشار می دهید، در واقع شتاب خودرو وقتی پدال گاز از سه چهارم به بعد فشرده می شود، دیگر مانند زمانی که پدال گاز تا حدود سه چهارم فشرده می شود، نمی باشد و میزان کاهش آن به راحتی قابل لمس است.

موتور خودرو رنو تندر K4M است، حجم آن 1600 سی سی و فاقد سیستم VVT و دارای قدرت 105 اسب بخار و گشتاور 140 نیوتن متر است، بر روی خودرو رنو مگان 1600 نیز همین موتور نصب است با این تفاوت که مجهز به سیستم VVT مربوط به میل سوپاپ ورودی می باشد، با نصب این سیستم بر روی سرسیلندر موتور خودروی رنو مگان 1600، قدرت آن به 115 اسب بخار و گشتاور آن به 152 نیوتن متر رسیده است و این بدین معنی است که مقدار این دو شاخص یعنی قدرت و گشتاور حدود 10% افزایش یافته است.

اساس عملکرد این سیستم بر پایه اینرسی حرکتی مولکول های هوا و سوخت استوار است، اینرسی حرکتی عبارت است از حاصل ضرب جرم جسم در سرعت آن، وقتی دور موتور پائین است، مولکول های هوا و سوخت با سرعت کمتری وارد سیلندر می شوند بنابراین دارای اینرسی حرکتی کمتری هستند ولی وقتی دور موتور افزایش می یابد، سرعت ورود هوا و سوخت به داخل سیلندر نیز افزایش می یابد، بنابراین اینرسی حرکتی مولکولهای هوا و سوخت در دور موتورهای بالا نسبت به سرعت های پائین بیشتر است، سیستم VVT و یا Camshaft Dephaser بر همین اساس کار می کند، وقتی دور موتور پائین است، در مرحله مکش به محض اینکه جهت حرکت پیستون از بالاترین نقطه (که به آن نقطه مرگ بالا یا TDC گفته می شود) تغییر کرد و به سمت پائین شروع به حرکت نمود، سوپاپ هوا نیز شروع به باز شدن می نماید و وقتی پیستون نیمی از مسیر حرکت(که به آن کورس پیستون گفته می شود) را به سمت پائین حرکت کرد، سوپاپ هوا بطور کامل باز شده و سپس شروع به بسته شدن می نماید و وقتی پیستون به پائین ترین نقطه کورس حرکتی خود رسید (که به آن نقطه مرگ پائین یا BDC گفته می شود)، سوپاپ هوا نیز بطور کامل بسته می شود، این وضعیت در دورهای پائین موتور، دارای کارائی مناسبی است ولی همانطور که عنوان شد، وقتی دور موتور افزایش می یابد و سرعت باز و بسته شدن سوپاپ ها زیاد می شوند، راندمان حجمی کاهش می یابد و مخلوط هوا و سوخت به اندازه کافی وارد سیلندر نمی شود، در این وضعیت چنانچه زمان باز و بسته شدن سوپاپ هوا اندکی به تاخیر بیفتد، مشکل راندمان حجمی تا حدود زیادی برطرف شده و میزان هوای ورودی به موتور افزایش خواهد یافت، به عبارت دیگر عملکرد این سیستم به شکلی است که وقتی دور موتور افزایش می یابد، سوپاپ هوا اندکی دیرتر باز می شود و اندکی دیرتر نیز بسته می شود.

سرعت چرخش میل لنگ همواره توسط سنسور دور موتور به کامپیوترِ موتور گزارش می شود، وقتی دور موتور افزایش می یابد، یونیت موتور با ارسال ولتاژ، یک شیر برقی را فعال می کند، باز شدن این شیر منجر به راهیابی روغن به مکانیزم سیستم VVT می شود، فشار روغن ابتدا قفل کننده پره را آزاد می کند و سپس آنرا حرکت می دهد، این کار موجب می شود تا باز و بسته شدن سوپاپ هوا اندکی با تاخیر انجام گیرد بدین صورت که بلافاصله بعد از حرکت پیستون از نقطه مرگ بالا به سمت پائین، سوپاپ هوا شروع به باز شدن نمی کند بلکه وقتی پیستون اندکی از کورس خود به سمت پائین را پیمود، سوپاپ هوا شروع به باز شدن می کند، در این وضعیت وقتی پیستون به نقطه مرگ پائین رسید، سوپاپ هوا هنوز بطور کامل بسته نشده است و همچنان اندکی باز است.

حال پیستون تغییر جهت داده و به سمت بالا حرکت می کند، در این وضعیت، با حرکت پیستون به سمت بالا،  مخلوط هوا و بنزین بالای پیستون به سمت بالا هل داده می شوند و سعی می کنند تا همواره مولکول های هوا و بنزین که در بالای سر خود قرار دارند را به سمت بالا هدایت نمایند ولی مخلوط هوا و بنزین که از سمت بالا و از سوپاپ هوا در حال وارد شدن به سیلندر است، به دلیل اینکه دارای سرعت خیلی بالا و  اینرسی حرکتی بسیار زیادی هستند، نمی توانند از ورود آنها جلوگیری کنند و فقط می تواند آنها را فشرده نمایند. عمل پر شدن سیلندر تا زمانیکه پیستون اندکی از کورس حرکتی خود به سمت بالا را طی می کند و سوپاپ هوا بسته نشده است، ادامه می یابد، این فرآیند موجب می شود تا مخلوط هوا و بنزین بیشتری به داخل سیلندر راه یابد و راندمان حجمی کاهش نیابد، وقتی در زمان جرقه حجم بیشتری از مخلوط سوخت و هوا وجود داشته باشد، قدرت احتراق بیشتر شده و قدرت و گشتاور موتور در دور بالای موتور افزایش می یابد.

در شکل فوق وضعیت عملکرد سیستم VVT در دورهای مختلف نشان داده شدن است، این سیستم از حدود دور 1500 شروع به کار می کند، شکل سمت چپ زمانی را نشان می دهد که مرحله تراکم شروع شده است، دور موتور اندکی از 1500 افزایش یافته است، شیر به مقدار کمی باز شده و پره به میزان کمی چرخیده است و میزان باز و بسته شدن سوپاپ اندکی به تاخیر افتاده است، در این حالت سوپاپ هوا، که به مقدار کمی باز شده، در حال بسته شدن است، شکل وسط زمانی را نشان می دهد که دور موتور به میزان بیشتری از 1500 افزایش یافته است، شیر به مقدار بیشتری نسبت به حالت قبل باز شده و تاخیر در باز شدن و بسته شدن سوپاپ هوا بیشتر است، شکل سمت راست دور بالاترِ موتور را نشان می دهد، شیر به میزان حداکثر خود باز شده و میزان تاخیر در باز و بسته شدن سوپاپ هوا در بیشترین حالت قرار دارد، همانطوری که دیده می شود، سوپاپ هوا همچنان باز و سیلندر همواره در حال پر شدن از مخلوط هوا و بنزین می باشد.

حالتی که در بالا توضیح داده شد، مربوط به نوعی از سیستم های VVT می باشد که نحوه عملکرد آن بصورتی است که وقتی دور موتور از حدی فراتر رفت، شیر برقی به آرامی شروع به باز شدن می کند و میزان باز شدن آن بستگی به دور موتور دارد و میزان تاخیر در باز و بسته شدن سوپاپ های هوا با افزایش دور موتور، بیشتر می شود، عملکرد شیر برقی مربوط به این سیستم شبیه عملکرد استپر موتور می باشد، به عبارت دیگر میزان باز و بسته شدن این شیر از صفر تا حداکثر و بصورت پیوسته می باشد، در بعضی از جزوات به این سیستم، CVVT گفته می شود که مخفف Continuous Variable Valve Timing می باشد.

بعضی از مدل های سیستم VVT فقط در دو حالت کار می کنند، یکی دور موتورهای پائین که سیستم هیچگونه عملکردی ندارد و هیچگونه تاخیری در باز و بست سوپاپ بوجود نیامده است و حالت دوم در وضعیتی می باشد که دور موتور از حدی بالاتر رفته است و شیر برقی بطور کامل باز شده و سوپاپ هوا در دیرترین زمان باز و در دیرترین زمان بسته می شود، شیر مربوط به این سیستم فقط دارای دو حالت باز و بسته می باشد.

دقت کنید که این سیستم فقط زمان باز و بسته شدن سوپاپ ها را به تاخیر می اندازد، در بعضی از جزوات عنوان شده است که این سیستم، زمانِ باز ماندنِ سوپاپ های هوا را بیشتر می کند و بیشتر باز ماندنِ سوپاپها به لحاظ زمانی، منجر به ورود بیشتر هوا و سوخت به سیلندر می شود، باید دقت نمود که این مطلب به هیچ عنوان صحیح نمی باشد و سیستم VVT فقط می تواند زمان باز و بست شدنِ سوپاپ را به تاخیر بیندازد.

در بعضی موتورهائی که دارای تکنولوژی پیشرفته تری می باشند(مانند موتور خودرو Captur)، سیستم VVT بر روی میل سوپاپ خروجی(Exhaust Camshaft) نیز نصب شده است و عملکرد آن بصورتی است که موجب می شود خروج گازهای حاصل از احتراق بهتر انجام گیرد و در زمان مکش، سیلندر از گازهای سوخته، کاملا خالی باشد.