مکانیک خودرو تخصصی -بخش 06

زمان‌بندی یا تايمينگ سوپاپ‌ها

برای افزايش راندمان حجمي و پیامد آن افزایش توان موتور، بايد زمان‌بندی باز و بسته شدن سوپاپ‌ها به دقت تنظیم شود که به آن اصطلاحا کالیبراسیون تایمینگ سوپاپ‌های موتور نیز گفته می‌شود. از نظر تئوري هر كدام از مراحل چهارگانه عملكردي موتور چهار زمانه به ميزان 180 درجه از گردش ميل لنگ است، ولي برای افزايش راندمان حجمي، بهتر است كه مدت زمان فرآيندهاي مكش و تخليه افزايش يابد، در اين صورت دود بهتر تخليه شده و عمل مكش سوخت و هوا به درون سيلندر نيز مطلوبتر انجام مي‌شود.
براي تشريح عمل زمان‌بندي يا تايمينگ سوپاپ‌ها مطابق شكل 1 از چهار دايره متحد المركز که بیان کنندة دایرة گردش میل‌لنگ است، استفاده مي‌گردد. دايره‌ها از بيرون به سمت داخل نشان‌دهنده مقدار درجة اختصاص يافته برحسب گردش ميل‌لنگ به فرآيندهاي مكش، تراكم، احتراق و تخليه است.

شكل1-نمودار تايمينگ سوپاپ

با توجه به شكل21 چنانچه دايره بيروني كه متعلق به زمان مكش است را به عنوان دايره گردش ميل لنگ در نظر بگيريم. بالاترين نقطه آن مبین TDC و پايين ترين نقطه آن معرف BDC است. ملاحظه مي‌گردد كه سوپاپ هوا 12 درجه قبل از TDC بازشده (آوانس سوپاپ هوا) و تا 40 درجه بعد از BDC (ريتارد سوپاپ هوا ) همچنان باز می‌ماند، از اينرو مدت باز بودن سوپاپ هوا و درنتيجه زمان مكش 232 درجه مي شود (حلقه اول يا بيروني).
نکته: هر عملی که زودتر از موعد انجام شود را آوانس و هر عملی که دیرتر از موعد انجام شود ریتارد گویند.
لازم به توضيح است كه آوانس و ريتارد سوپاپ هوا به دلايل ذيل ضروري است:

1. جبران حركت تدريجي در باز و بسته شدن سوپاپ هوا تا رسيدن به باز يا بسته شدن نهايي
2. درهنگام بازشدن سوپاپ هوا، سوخت و هواي درون مانيفولد تقريباً ساكن بوده، بنابراين با آوانس سوپاپ هوا، زمان لازم برای جبران اينرسي ناشی از سکون تقریبی مخلوط سوخت و هوای درون مانیفولد نيز در نظر گرفته مي‌شود.
3. بعد از باز شدن سوپاپ هوا، سوخت و هوا داراي انرژي جنبشي می‌شود که به دلیل تراکم‌پذیری بودن مخلوط سوخت و هوا، حتی هنگام بسته شدن سوپاپ هوا و بعد ازBDC كه پيستون به سمت بالا حركت مي‌كند مقداری از این انرژی جنبشی حفظ می‌شود که قادر به وارد کردن مقادیر بیشتر سوخت و هوا به داخل سیلندر است. از طرفی اطراف نقاط مرگ بالا و پایین، جابجایی پیستون نیز ناچیز است، لذا با در نظر گرفتن این دو موضوع می‌توان سوپاپ هوا را مقداری ریتارد کرد تا ورود خودبخودی مخلوط سوخت و هوا ادامه یافته و منجر به افزایش راندمان حجمی موتور شود.

با توجه به شكل….،40 درجه بعد از BDC و بسته شدن سوپاپ هوا، تراكم آغاز مي‌گردد و تا زمان جرقه زدن شمع فرآيند تراكم ادامه مي‌يابد، حال با فرض اين كه جرقه شمع دقيقاً در TDC صورت مي‌گيرد، مدت فرآيند تراكم برحسب گردش ميل لنگ 140 درجه خواهد بود (حلقه دومي از بيرون) و به محض ايجاد جرقه، فرآيند احتراق شروع مي‌شود.(حلقه سوم از بيرون) از آنجايي كه در قسمت هاي انتهايی زمان احتراق، فشار احتراق زيادي وجود ندارد تا پيستون را به سمت پايين حركت دهد، از اين رو بهتر است چند درجه قبل ازBDC سوپاپ دود باز شود تا عمل تخليه بهتر انجام شود.
با توجه به شكل 21 با در نظر گرفتن 55 درجه به عنوان آوانس سوپاپ دود، اين سوپاپ 55 درجه قبل ازBDC باز مي‌شود، از اينرو مدت فرآيند احتراق 125 درجه از گردش ميل لنگ است از طرفي 15 درجه هم به عنوان ريتارد سوپاپ دود درنظر گرفته مي‌شود، چرا كه به دليل انرژي جنبشي دود در پايان زمان تخليه و شروع زمان مكش، با توجه به اينكه جهت حركت پیستون به سمت پايين است ولي دود تمايل به خارج شدن از سيلندر را داشته و تا زمانیکه انرژی جنبشی دود خروجی بر انرژی جنبشی مکش پیستون غالب باشد، سوپاپ دود باز می‌ماند تا تخليه دود بهتر صورت گيرد. درنتيجه مدت فرآيند تخليه 250 درجه خواهد بود.(چهارمين حلقه از بيرون)
توجه : در پايان زمان تخليه، سوپاپ دود درحال بسته شدن است، درحاليكه زمان مكش درحال شروع بوده و سوپاپ هوا درحال باز بودن است. چنين حركتي از سوپاپ‌هاي يك سيلندر كه سوپاپ دود درحال بسته شدن و سوپاپ هوا درحال باز شدن باشد را قيچي سوپاپ‌ها مي‌گويند. با توجه به شكل …… در مدت 12 درجه قبل ازTDC و 15 درجه بعد از TDC سوپاپ‌هاي دود و هوا در حال انجام عمل قيچي هستند، بنابراين مدت زمان قيچي 27 درجه از گردش ميل لنگ است. يكي از كاربردهاي مهم قيچي سوپاپ‌ها، استفاده ازآن برای فيلرگيري سوپاپ‌هاي موتورخودرو است كه در ادامه به آن پرداخته مي‌شود.
نمودار تایمینگ سوپاپ‌های موتور بوسیله انجام اصلاحات لازم در پروفیل بادامک میل‌بادامک مانند نقطه شروع پروفیل، نقطه پایان پروفیل، میزان ارتفاع برخاستگی بادامک، زوایای پهلوی بادامک و غیره مطابق شکل 2 محقق می‌شود.

1-قطر دایره مبنا 2-مقدار برخاستگی بادامک 3-پهلوی باز کردن 4-پهلوی بستن 5-نقطه شروع پروفیل 6-نقطه پایان پروفیل
شکل 2-مشخصات بادامک

از اينرو با تغییر در مشخصات پروفيل بادامك‌هاي ميل‌سوپاپ می‌توان مدت زمان باز بودن سوپاپ‌های هوا و دود به نحوی تغییر داد تا باعث افزايش راندمان حجمي موتور شود که البته باید سایر مشخصات همانند شتاب وارد به تایپت و غیره نیز توجه کرد که تغییر در مشخصات پروفیل بادامک منجر به آسیب مکانیکی قطعات نشود. شکل 3 یک میل‌سوپاپ موتور را نشان می‌دهد.

شکل 3-میل‌سوپاپ موتور

انتقال قدرت از میل‌لنگ به میل‌سوپاپ:

با توجه به مقوله زمان‌بندی یا تایمینگ سوپاپ، نحوه انتقال قدرت دقیق و مطمئن از میل‌لنگ به میل‌سوپاپ از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. دقیق‌ترین و مطمئن‌ترین روش انتقال قدرت از میل‌لنگ به میل‌سوپاپ با توجه به شکل 4 استفاده از چرخ‌دنده است.

1-چرخ‌دنده میل‌سوپاپ 2-چرخ‌دنده هرزگرد 3-چرخ‌دنده میل‌لنگ
شکل 4-انتقال قدرت از میل‌لنگ به میل‌سوپاپ به روش چرخ‌دنده‌ای

این روش با وجود اینکه کاملا مطمئن و دقیق است ولی دارای معایب زیر است:

• هزینه این طرح زیاد است
• سر و صدای چرخ‌دنده‌ها زیاد است
• نیاز به روغنکاری دارد
• فاصله بین محور میل‌لنگ و محور میل‌سوپاپ باید دقیق و کم باشد

در موتورهای میل‌بادامک رو یا OHC، فاصله بین محور میل‌لنگ و محور میل‌سوپاپ زیاد است و امکان استفاده از چرخ‌دنده برای انتقال قدرت از میل‌لنگ به میل‌سوپاپ وجود ندارد. لذا مطابق شکل 5 روش مطمئن و دقیق استفاده از زنجیر و چرخ زنجیر است.

شکل 5-استفاده از زنجیر برای انتقال قدرت از میل‌لنگ به میل‌سوپاپ

این روش نیز با وجود اینکه کاملا مطمئن و دقیق است ولی دارای معایب زیر است:

• هزینه این طرح زیاد است
• سر و صدای زنجیر و چرخ زنجیر زیاد است
• نیاز به روغنکاری دارد
• نیاز به زنجیر سفت‌کن دارد

لذا در موتورهایی که هدف کاهش هزینه تولید مدنظر باشد مطابق شکل 6 از تسمه برای انتقال قدرت از میل‌لنگ به میل‌بادامک استفاده می‌شود.

1-چرخ‌تسمه واترپمپ 2-چرخ‌تسمه میل‌سوپاپ 3-تسمه سفت‌کن 4-غلتک هرزگرد 5-چرخ‌تسمه میل‌لنگ
شکل 6-استفاده از تسمه برای انتقال قدرت از میل‌لنگ به میل‌سوپاپ

این طرح مزایای زیادی از جمله ارزان بودن، عدم نیاز به روغنکاری و کم سر و صدا بودن را دارد ولی بزرگترین عیب آن عدم اطمینان کافی در انتقال قدرت دقیق و مطمئن است و اگر اختلاف شتاب زاویه‌ای زیادی بین میل‌لنگ و میل‌سوپاپ(همانند روشن کردن موتور با هل دادن، تعویض معکوس شدید، شتابگیری شدید و غیره) ایجاد شود احتمال لغزش تسمه‌تایم علی‌رغم دندانه‌دار بودن آن وجود دارد. بعلاوه طول عمر مفید تسمه‌تایم 60 هزار کیلومتر است که پس از آن باید حتما تعویض شود. هنگام کارکرد موتور سمت کششی تسمه سفت می‌شود و سمت فشاری آن شل می‌شود، بنابراین در سمت فشاری تسمه حتما باید از تسمه سفت‌کن استفاده شود تا از ارتعاش بیش از حد و لغزش تسمه‌تایم پیشگیری شود. شکل 7 یک نوع تسمه سفت‌کن تسمه‌تایم را نشان می‌دهد.

شکل 7-تسمه سفت‌کن تسمه‌تایم موتور خودرو

فيلرگيري سوپاپ‌ها

تنظيم ميزان لقي در مكانيزم سوپاپ را فيلرگيري گويند. انجام فيلرگيري عمدتاً به دو دليل زير است:

1. كنترل ميزان انبساط و انقباض حرارتي قطعات مكانيزم سوپاپ برای عملكرد مطلوب مكانيزم سوپاپ
2. بهينه کردن عملیات تايمينگ سوپاپ‌ها به وسيله ايجاد لقي مناسب بين قطعات مكانيزم سوپاپ به منظور تعیین دقیق نقطه باز و بسته شدن سوپاپ‌ها

براي تنظيم لقي يا فيلرگيري هر كدام از سوپاپ ها بايد مطمئن شد كه آن سوپاپ به صورت كامل بسته باشد تا بتوان حداكثر لقي را اندازه‌گيري کرد. از اينرو انتهاي تراكم و ابتداي احتراق زمان مناسبي است كه به طور قطع در صورت صحيح بودن تايمينگ سوپاپ‌ها، هر دو سوپاپ سيلندر موردنظر بسته هستند.
براي مشخص كردن انتهاي تراكم و ابتداي احتراق هر سيلندر با مراجعه به جدول ترتیب احتراق سیلندرها ملاحظه مي‌گردد كه به طور مثال هنگامي كه سيلندر 3 در وضعيت انتهاي تراكم و ابتداي قدرت قراردارد، سيلندر دارای حرکت متناظر با آن يعني سيلندر 2 در انتهاي تخليه يا ابتدای مكش قرار گرفته است. اين لحظه در واقع وضعيت قيچي سوپاپ‌هاي سيلندر 2 را نشان مي‌دهد، بنابراين مي توان براي فيلرگيري هر سيلندر، سيلندر متناظر آن را در وضعيت قيچي قرار داد تا سيلندر مورد نظر در انتهاي تراكم و ابتداي احتراق قرار گرفته و عمل تنظيم لقي يا فيلرگيري را انجام داد. از اين رو با قيچي سيلندر يك، سيلندر 4 را فيلرگيري كرده و با قيچي سيلندر 2 سيلندر 3 فيلرگيري مي‌شود و سپس جاي سيلندرها را برعكس كرده به نحوي كه با قيچي سيلندر چهار، سيلندر يك را فيلرگرفته و با قيچي سيلندر 3 سيلندر 2 فيلرگيري مي‌شود.
براي انجام فيلرگيري، ابتدا سيلندر متناظر سيلندر موردنظر برای فيلرگيري را در وضعيت قيچي قرار داده و سپس مطابق شكل 8 مهره و پيچ تنظيم را شل كرده و فيلر مورد نظر را بين انتهاي ساق سوپاپ و سراسبك قرار مي‌دهيم. سپس پيچ تنظيم را آنقدر سفت مي‌كنيم تا فيلر مورد نظر به صورت مماسي بين انتهاي ساق سوپاپ و سراسبك حركت كند. مقدار فيلر سوپاپ‌هاي دود و هواي موتور خودرو پراید 0/3 ميلي‌متر و در موتورهاي خودروهاي سمند، 405 و پارس ، ميزان فيلر سوپاپ هوا 0/2 و فیلر سوپاپ دود 0/4 ميلي‌متر است.

1-آچار رینگی 2-پیچ‌گوشتی 3-پیچ و مهره فیلرگیری 4-فیلر
شکل 8-نحوه فیلرگیری سوپاپ‌های موتور

تايم‌گيري سوپاپ‌ها

برای عملكرد مطلوب موتور خودرو و همچنين افزايش قدرت و كاهش مصرف سوخت، همواره بايد از تايمينگ صحيح سوپاپ‌ها اطمينان حاصل کرد. روش تايم‌گيري در موتور خودروهای مختلف دارای تفاوت‌هایی با یکدیگر است که حتما با توجه به دستورالعمل موتورساز باید نسبت به تایم‌گیری موتور اقدام کرد تا از آسیب‌های احتمالی پیشگیری شود.
به طور مثال در خودرو پرايد از روند زير برای تعويض تسمه‌تايم يا تايم‌گیري مجدد استفاده مي‌شود:

1-علامت روي چرخ تسمه ميل‌لنگ را با علامت موجود برروي بدنه موتور مطابق شكل 9 منطبق كنيد.

1-تسمه‌تایم 2-چرخ‌تسمه میل‌لنگ 3-فنر تسمه سفت‌کن 4-غلتک تسمه سفت‌کن
شكل 9-منطبق كردن علامت روي چرخ تسمه ميل‌لنگ و علامت روي بدنة موتور

2-علائم موجود برروي چرخ تسمه ميل‌بادامك را با توجه به شكل 10 با علائم موجود برروي بدنه سرسیلندر و درب سوپاپ‌ها منطبق کنید.

1-درپوش سوپاپ‌ها 2-چرخ‌تسمه میل‌سوپاپ 3-سرسیلندر 4-تسمه‌تایم
شكل 10-منطبق كردن علائم روي چرخ تسمة ميل‌بادامك و علائم روي بدنة سرسیلندر و درب سوپاپ‌ها

3-تسمه سفت‌کن را در انتهای کورس خود نصب کنید.
4-بادرنظر گرفتن جهت دوران موتور (راست‌گرد) و قرار دادن فلش‌هاي درج شده برروي تسمه تايم در جهت راست‌گرد مطابق شكل 11 تسمه‌تايم را نصب كنيد.

شكل 11-نصب تسمه‌تايم

5-تسمه سفت‌کن را آزاد کنید تا کشش تسمه تنظیم شود و ميل لنگ را چند دور بچرخانيد و از منطبق بودن علائم روي چرخ تسمه‌ها و علائم موجود برروي بدنه موتور و درپوش سوپاپ‌ها اطمينان حاصل كنيد. در صورت نياز شمع‌ها را بازكنيد تا موتور به راحتي دوران كند.
6-مطابق شكل 12 تسمه سفت كن را در موقعيت خود سفت نماييد و سپس با خط كش ميزان انعطاف پذيري تسمه تايم را اندازه گيري كنيد.اين مقدار بايد بين 12 تا 13 ميلي متر باشد.

شکل 12-کنترل میزان انعطاف پذیری تسمه تایم

زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها یا VVT(Valve Variable Timing)

در اكثر خودروهاي امروزی برای بهينه‌سازي عملكرد موتور از سيستم تايمينگ متغير سوپاپ‌ها يا VVT استفاده مي‌شود. اين سيستم داراي انواع مختلفي است. بعضی از این سامانه‌ها فقط مقدار آوانس و ريتارد سوپاپ‌ها را تغيير مي‌دهند و مقدار زاویه باز بودن سوپاپ‌ها در شرایط مختلف ثابت می‌ماند ولی برخی از این سامانه‌ها، علاوه بر تغییر در آوانس و ریتارد سوپاپ‌ها، قادر به تغییر مقدار زاویه باز بودن سوپاپ‌ها هم هستند.
به طور مثال در بعضي از سيستم ها مطابق شكل 13 بادامك‌های میل‌سوپاپ مخروطي هستند و ميل‌بادامك نيز علاوه بر حرکت دورانی، قابلیت انجام مقداری حرکت محوری نیز است. از اينرو با حركت محوري ميل‌بادامك، ميزان ارتفاع موثر بادامك تغيير كرده و نتيجه آن تغيير در ميزان حركت عمودي سوپاپ و همچنين تغییر زاویه بازشدن سوپاپ است.

a: حداقل حركت عمودي سوپاپ       b : حداكثر حركت عمودي سوپاپ
شكل 13-تغيير در زمان و ميزان حركت عمودي سوپاپ‌ها با استفاده از بادامك‌هاي مخروطي

شکل 14 مکانیزم VVT که فقط قادر به تغییر میزان آوانس و ریتارد سوپاپ‌ها است را نشان می‌دهد. این مکانیزم در بسیاری از خودروهای امروزی بر روی میل‌سوپاپ هوا و بعضا هر دو میل‌سوپاپ نصب شده است.

1-روتور متصل به میل‌سوپاپ هوا 2-استاتور متصل به چرخ‌زنجیر میل‌سوپاپ هوا 3-اتاقک‌های آوانس 4-اتاقک‌های ریتارد
شكل 14-مکانیزم VVT

مقداری از روغن اویل پمپ موتور از طریق یک شیر برقی که توسط واحد کنترل یا ECU موتور کنترل می‌شود می‌تواند وارد اتاقک‌های آوانس یا ریتارد مابین روتور و استاتور شود. چنانچه روغن اتاقک‌های ریتارد تخلیه و در عوض روغن وارد اتاقک آوانس شود، میل‌سوپاپ راستگرد مقداری بیشتر در جهت دوران خود نسبت به چرخ‌زنجیر یا استاتور دوران می‌کند که منجر به آوانس شدن سوپاپ‌ها شده و سوپاپ‌ها زودتر باز می‌شوند. در حالیکه اگر روغن اتاقک آوانس تخلیه شود و در عوض روغن وارد اتاقک ریتارد شود، میل‌سوپاپ راستگرد در جهت عکس دوران چرخ‌زنجیر یا استاتور دوران کرده که منجر به ریتارد سوپاپ‌ها شده و سوپاپ‌ها دیرتر از موعد باز می‌شوند.