8 سوپاپ یا 16 سوپاپ ، مسئله این است - وبلاگ ورزش و تندرستی

به گزارش وبلاگ ورزش و تندرستی، یکی از راه های بهبود بازدهی موتور خودرو، افزایش تعداد سوپاپ است، آیا یک موتور 8 سوپاپ می تواند بهتر از موتور 16 سوپاپ باشد؟

وبلاگ ورزش و تندرستی - امیرحسین اسماعیل بیگی: در موتورهای احتراق داخلی، تنفس یکی از بحث های بسیار با اهمیت است.

اگر هوا به خوبی وارد سیلندر نگردد، حتی قطره ای از با کیفیت ترین سوخت را با قوی ترین سیستم جرقه نمی توان سوزاند.

در واقع اگر بهترین موتور جهان را از هر نظر طراحی کنید اما در تنفس و مکش هوا مشکل داشته باشد، مطمئنا در نهایت توان مطلوبی را ارائه نخواهد داد.

زمانی که پیستون می خواهد هوا را مکش کند اولین عامل که جلوی راه آن قرار گرفته است، سوپاپ ها هستند.

سپس مانیفولد ورودی، دریچه گاز، راستا و لوله های ورودی و درنهایت فیلتر هوا در برابر ورود هوا مقاومت ایجاد کردند.

برای خروج دود نیز همین موانع وجود دارد با این اختلاف که به جای دریچه گاز، کاتالیست و به جای فیلتر هوا، مافلر یا همان منبع عقب، جلوی خروج دود مقاومت ایجاد می نمایند.

بازده تنفسی(Volumetric efficiency)

قبل از آغاز احتیاج است که مفهوم بازده تنفسی در موتورهای احتراق داخلی را شرح دهیم تا بهتر بتوانیم باقی مطلب را منتقل کنیم.

به زبانی ساده به نسبت حجم مخلوط سوخت و هوای وارد شده به سیلندر نسبت به بیشترین حجم خود سیلندر بازده تنفسی می گویند.

در موتورهای تنفس طبیعی، مقدار معمولی بازده تنفسی همواره زیر 100 درصد و معمولا بین 60 تا 80 درصد است.

یعنی اگر حجم یک سیلندر 400 سی سی باشد، در بهترین حالت 320 سی سی، مخلوط سوخت و هوا از سوپاپ ها وارد آن می گردد.

بازده تنفسی در موتورهای توربوشارژر یا سوپر شارژر متفاوت است و بالای 100 درصد است.

زیرا توربو، هوا را با فشار زیادی داخل سیلندر پمپ می نماید.

بازده تنفسی یکی از مهم ترین چالش ها در سال های اخیر در صنایع خودروسازی بوده است.

تحقیقات بسیار زیادی روی این موضوع اجرا شده و در نهایت سیستم های متنوعی برای برطرف چالش های این موضوع به وجود آمده است.

در ابتدا افزایش تعداد سوپاپ ها یا تغییر سایز آنها مطرح بوده است.

سپس سیستم های تایم متغییر سوپاپ، لیفت متغییر سوپاپ، تغییر طول مانیفولد، توربو شارژ و… برای افزایش راندمان موتور طراحی و فراوری شدند.

تفاوت موتور 8 سوپاپ با 16 سوپاپ

اما ما در این مقاله می خواهیم به مهم ترین و اولین عامل که همان سیستم سوپاپ است بپردازیم.

برای هر سیلندر حداقل دو سوپاپ، یکی برای ورود هوا و دیگری برای خروج دود احتیاج است.

سال ها با این دو سوپاپ به شکل های مختلف، موتور فراوری شد.

متخصصان بطور مدام درحال تغییر جای قرار گیری سوپاپ و سایز آن بودند تا به نتیجه مطلوب برسند.

تقریبا حد تعیینی برای سایز و جای سوپاپ تعیین شد.

به صورتی که درحال حاضر شرکتی را پیدا نمی کنید که سوپاپ ها را به شکل T HEAD به کار ببرد.

پس از آن کمپانی ها به دنبال افزایش تعداد سوپاپ ها رفتند.

اولین بار سال 1912 شرکت پژو از چهار سوپاپ برای هر سیلندر در ماشین مسابقه ای خود استفاده کرد.

پس از آن چندین شرکت این کار را تکرار کردند.

تا سال 1975 شرکت شورولت از چهار سوپاپ برای ماشین های خود استفاده کرد.

یک پارامتر بسیار مهم در افزایش بازده تنفسی، افزایش جرم هوای ورودی در ثانیه است.

که این پارامتر متاثر از نسبت مساحت کف سوپاپ های یک سیلندر، به مساحت سطح مقطع خود سیلندر است.

یعنی هرچه مساحت سوپاپ ها بیشتر گردد، نسبت به سطح مقطع سیلندر، هوای بیشتری وارد سیلندر می گردد.

در تصویر زیر سمت راست مشاهده می کنید که نسبت مساحت سوپاپ ها به سطح مقطع سیلندر، 100 درصد با 16 سوپاپ کردن افزایش یافته است.

موتور 8 سوپاپ یا 16 سوپاپ ؟

تفاوت توان و گشتاور

توان و گشتاور موتورهای 8 سوپاپ در دور موتورهای میانی، مقداری افت و در دور موتورهای بالا به شدت افت می نماید.

چون هوا اینرسی یا لختی دارد و مقداری زمان می برد تا وارد سیلندر گردد.

در دور موتورهای پایین، چون سرعت پیستون کم است زمان کافی وجود دارد تا هوا وارد سیلندر گردد.

اما در دور موتورهای بالا، سرعت پیستون بسیار افزایش پیدا می نماید.

به همین دلیل زمان کافی برای وارد شدن هوا وجود ندارد؛ پس شاهد افت توان موتور هستیم.

جهان به راهکار های متفاوتی برای حل این مشکل رسیده است، اما ساده ترین و اولین راهکار افزایش تعداد سوپاپ ها برای راحت تر وارد شدن هوا است.

همان طور که در تصویر بالا مشاهده می کنید، در دور پایین تفاوت بسیار اندکی (بین 1 تا 5 اسب بخار) در اسب بخار وجود دارد.

اما گشتاور از همان دورهای پایین نیز تفاوت دارد.

البته این نمودار کاملا کلی است و ممکن است این مقدارها در موتورهای متعدد متفاوت باشد.

دومین اتفاقاتی که با افزایش تعداد سوپاپ رخ می دهد، کم شدن لیفت سوپاپ است.

به میزان ارتفاعی که سوپاپ باز می گردد، یا پایین می آید، لیفت می گویند.

زمانی که مساحت کل سوپاپ در یک سیلندر افزایش پیدا می نماید، با لیفت کمتر، هوای بیشتری نیز وارد می گردد.

مثلا اگر در موتور هشت سوپاپ احتیاج به 10 میلیمتر لیفت است تا موتور بازده تنفسی خوبی داشته باشد، در موتورهای 16 سوپاپ به 7 میلیمتر احتیاج است.

این کاهش لیفت، باعث می گردد پیستون بتواند بدون برخورد با سوپاپ ها بیشتر هوا را مترکم کند.

درواقع در موتورهای 16 سوپاپ می توان نسبت تراکم بالاتری را برای موتور در نظر گرفت.

View this post on Instagram

A post shared by bitrun،وبلاگ ورزش و تندرستی (@bitrun.ir)

اهمیت مکان قرار دریافت شمع ها

سومین مزیت 16 سوپاپ شدن یک موتور مکان قرارگیری شمع های آن است.

در موتورهای هشت سوپاپ، شمع در وسط محفظه احتراق قرار نمی گیرد.

که همین عامل باعث می گردد احتراق به طور کامل انجام نگردد.

اما در موتورهای 16 سوپاپ به علت تقارن سوپاپ ها می توان شمع را دقیقا وسط سیلندر قرار داد که باعث بهبود احتراق گردد که این بهبود منجر به کاهش آلایندگی و مصرف سوخت نیز می گردد.

در نهایت نیز می توان به کاهش وزن هر سوپاپ با افزایش تعداد سوپاپ ها اشاره نمود.

که این مورد منجر به کاهش جرم متحرک و باعث کم شدن لرزش و صدا می گردد.

آیا سوپاپ بیشتر منجر به اصکاک بیشتر می گردد؟

ممکن است بگویید افزایش تعداد سوپاپ باعث افزایش تعداد قطعات محرک مکانیکی و افزایش تلفات اصطکاکی می گردد.

اما واقعیت این است که این تلفات بسیار ناچیز است و در برابر بهبود بازدهی موتور اصلا قابل بحث نیست.

به صورت کلی در مقاله های مختلف میزان تلفات مکانیکی 2 تا 10 درصد اعلام شده است.

در تصویر زیر که توسط شرکت FEV المان تهیه شده است می توانید مقدار تلفات یک موتور را به صورت حدودی ببینید.

نمودار بالا برای یک موتور در PART LOAD یا نیم بار تهیه شده است.

به طور کلی تلفات مکانیکی در نیمه بار برای یک موتور حدود 9 درصد اعلام شده است.

تلفات مکانیکی شامل تلفات اصطکاکی کلیه قطعات متحرک موتور می گردد.

که اگر بخواهیم به صورت دقیق آنالیز کنیم به جدول زیر می رسیم:

یعنی کل تلفات مجموعه سوپاپ ها و میل سوپاپ و…(Valve Train) حدود 17 درصد از آن 9 درصد تلفات مکانیکی است.

حالا شما حساب کنید اضافه کردن یا نکردن یک میل سوپاپ و هشت سوپاپ که در واقع نصف مجموعه (Valve Train) است چه مقدار به تلفات موتور اضافه می نماید؟

از جمله دلایل کاهش تلفات مکانیکی

در این نمودار نیز همان تلفات مکانیکی را می بینیم، اما در زمانی که دریچه گاز کاملا باز است و موتور در فشار کامل است.

به علت کاهش اینرسی قطعات و روغن کاری بهتر در دور موتورهای بالاتر، تلفات مکانیکی بسیار کاهش پیدا می نماید.

به صورتی که در اینجا حدود 3 درصد شده است.

تصویر بالا نیز یک نمودار دیگر برای یکی از موتورهای شش سیلندر و 24 سوپاپ شرکت تویوتا است که کل تلفات (Valve Train) را 18 درصد از 9 درصد تلفات مکانیکی اعلام نموده است.

همچنین برای دور موتورهای زیر 1000RPM که دور آرام معرفی می گردد، بازدهی موتور صفر است و کل کار موتور به عنوان تلفات معرفی می گردد.

چون تمام انرژی که مصرف می نماید، فقط صرف روشن نگه داشتن موتور می گردد.

در این حالت تلفات (Valve Train) تا حدود 40 درصد نیز اعلام شده است.

موتور 8 سوپاپ یا 16 سوپاپ ؟