فناوری سوپاپ الکترونیک و برقی IVA؛ انقلاب تازه در پیشرانه‌های احتراقی

شرکت بریتانیایی کم‌کان اتوموتیو (Camcon Automotive) با ایده‌ای انقلابی، اولین سیستم تمام برقی کنترل سوپاپ پیشرانه را طراحی کرد. در این سیستم خبری از اتصال مکانیکی سوپاپ و میل لینگ نیست و زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌های به‌صورت برقی و مستقل کنترل می‌شود. محصول این شرکت را می‌توان قدمی رو به‌جلو برای افزایش طول عمر پیشرانه‌های درون‌سوز و پیوند نزدیک‌تر با خودروهای هیبرید توصیف کرد.

زمان‌بندی متغیر سوپاپ (Variable Valve Timing) یا VVT فناوری جدیدی نیست و سال‌ها در صنعت خودروسازی از آن استفاده شده است. همانطور که مشخص است، در شرایط مختلف پیشرانه و عملکرد سوپاپ‌ها برای حاصل شدن بهترین مصرف سوخت، قدرت و آلایندگی تغییر می‌کند. در VVT می‌توان زمان‌بندی کلی و بالا رفتن سوپاپ‌ها را متناسب با شرایط تنظیم کرد. سیستم اختراعی مهندسان کم‌کان موسوم به فعال‌سازی هوشمند سوپاپ (Intelligent Valve Actuation) یا به‌صورت اختصار IVA تفاوت بزرگی با VVT فعلی دارد. در هر زمان و به‌صورت کاملاً مستقل از پیشرانه، کنترل بر عملکرد سوپاپ ورودی و خروجی  ممکن می‌شود. IVA کاملاً برقی بوده و درحقیقت، اولین سیستم سوپاپ جهان بدون داشتن اتصال مکانیکی به میل‌ لنگ است.

در IVA خبری از تسمه تایم یا فنر سوپاپ نیست؛ برای هر سوپاپ یک میل لنگ کوچک و سیستم دزمورومیک (Desmodromic) اختصاصی تعبیه شده است تا باز و بسته شدن سوپاپ‌ها به‌صورت دقیق و مکانیکی انجام شود. سوپاپ‌ها به‌جای حرکت با لنگ، از طریق یک موتور الکتریکی کنترل می‌شوند. این موتورهای الکتریکی قابلیت چرخش به دو طرف و چرخش کامل یا نصفه را به‌صورت دقیق دارند؛ در واقع امکان بالا رفتن کامل یا در یک حد دلخواه سوپاپ‌ها در هر زمان و شرایط وجود دارد. هماهنگی بین سوپاپ‌ها و میل‌ لنگ توسط سنسورهای چرخشی ایجاد می‌شود؛ تمام سیستم یک حلقه‌ی بسته با عملکرد متغیر است و در هر زمان، کنترل سوپاپ‌ها هماهنگ با کارکرد پیشرانه انجام می‌شود. مایک گاستیک، مدیر ارشد عملیات شرکت کم‌کان در رابطه با سیستم جدید IVA گفت:

با IVA می‌توانیم در دور موتور پایین، بالا یا هر دور موتوری، هر آنچه که پیشرانه نیاز دارد به آن تقدیم کنیم و هیچ بخشی از عملکرد کلی قربانی نشود. می‌توان زمان‌بندی، مدت زمان باز و بسته شدن سوپاپ‌ها و کل چرخه‌ی احتراق را تغییر داد. با میل لنگ دیجیتالی، هر کاری می‌توان انجام داد.

اما چرا تا امروز، سیستم کنترل تمام برقی سوپاپ‌ها اختراع نشده بود؟ گاستیک معتقد است که نبود پیشرفت لازم در قطعات الکترونیکی و امکان ساخت سیستم‌های ارزان‌قیمت با توانایی پردازش بالا در گذشته، مانع وجود این فناوری شده است. امروز با داشتن IVA، خودروسازان می‌توانند نسخه‌ی بسیار بهینه‌تر از سیستم VVT گذشته را در اختیار داشته باشند. IVA در مقایسه با VVT در یک پیشرانه، گشتاور و قدرت بیشتر و مصرف سوخت بهینه‌تر را ممکن می‌کند. متخصصان کم‌کان در حال حاضر چند پیشرانه‌ی آزمایشی رومیزی و یک نوع واقعی روی خودرو دارند و نتایج آزمایش‌های آن‌ها، بسیار امیدبخش بوده است.

ما برای نمایش توانایی‌های این سیستم، هزاران ساعت آزمایش در دینامومتر داشته‌ایم. در حال حاضر، بخش ورودی سوپاپ را به IVA مجهز کرده‌ایم چرا که مزیت‌های آن قابل درک است. هنوز کسی سیستم VVT را در بخش خروجی سوپاپ امتحان نکرده است، بنابراین از مزیت‌های آن زیاد مطمئن نیستیم. آزمایش‌های دینامومتر IVA در حالت پایدار، یعنی یک حالت یا یک سری ثابت احتراق انجام شده است. بر اساس نتایج به‌دست آمده و مقایسه با پیشرانه‌ی اینجینیوم جگوار، حدود ۷.۵ درصد کاهش آلایندگی مشاهده شد. امیداوار هستیم که با وجود سیستم درجه‌بندی گذرا در خودروهای استاندارد، با وجود IVA آلایندگی خودرو تا ۲۰ درصد کاهش پیدا کند. در حال حاضر، مشغول طراحی و تولید پیشرانه‌ی ۱۶ سوپاپه با سیستم IVA در سوپاپ‌های ورودی و خروجی هستیم.

متخصصان کم‌کان معتقد هستند که IVA در خودروهای هیبرید عملکرد قابل توجهی خواهد داشت؛ البته گاستیک اشاره می‌کند که این به‌معنی پایان کار پیشرانه‌های درون‌سوز نیست. او گفت:

شاید افراد زیای سؤال کنند که چرا ما در بهینه‌سازی پیشرانه‌های درون‌سوز سرمایه‌گذاری می‌کنیم؛ مگر آینده‌ی خودروسازی در اختیار مدل‌های برقی و باتری‌ها نیست؟ حقیقت این است که اگر امروز از افراد فعال در صنعت خودروسازی بپرسید، همه اعتقاد دارند که تا سال‌های آینده، همچنان پیشرانه‌های درون‌سوز در قالب‌های مختلف مانند پلاگین هیبرید، هیبرید یا مدل‌های دیگر وجود خواهند داشت. خودروهای هیبرید آینده به پیشرانه‌های باکیفیت و عملکرد بالا نیاز دارند.

خودروهای پلاگین هیبرید، نیازمند قوای فنی پیشرفته و هوشمند هستند تا در زمان مورد نیاز، استفاده از باتری یا پیشرانه محدود شود. در این نوع خودروها، باید بخشی از انرژی صرف خاموش و روشن شدن پیشرانه شود؛ این فرآیند انرژی خود را از باتری دریافت می‌کند. پیشرانه باید ظرفیت انرژی را شارژ کند که در یک مجموعه‌ی کامل تمام این موارد، در عملکرد خودرو تأثیرگذار است. با کنترل کامل بر سوپاپ‌ها، می‌توان انرژی مورد نیاز برای خاموش و روشن کردن پیشرانه را کاهش داد. در این سیستم می‌توان ابتدا سوپاپ را کاملاً بالا برد تا استارتر فقط برای غلبه بر سایش موجود انرژی طلب کند. با استفاده از IVA می‌توان شعاع حرکتی تمام برقی خودروهای هیبرید را هم افزایش داد؛ هنوز آزمایش کامل مهندسان کم‌کان به اتمام نرسیده است، اما پیش‌بینی افزایش شعاع حرکتی به ۶۴ تا ۸۰ کیلومتر در مقایسه با ۴۸ کیلومتر بیشتر مدل‌های تولیدی فعلی وجود دارد که قدمی مثبت خواهد بود.

خودروهای هیبرید به‌دلیل قابلیت استفاده از برق و پیشرانه‌ی درون‌سوز در شرایط مختلف، محصولات جالبی هستند. اگر بتوان با استفاده از روش یا قطعه‌ای تغییر حالت بین قوای فنی خودروی هیبرید را بهینه کرد، می‌توان در عملکرد کلی پیشرفت قابل توجهی مشاهده کرد. مثلاً زمان‌بندی غیرفعال شدن دینام یا باتری و سوپاپ می‌تواند بهینه‌تر باشد؛ یا گاهی تولید الکتریسیته بیش از اندازه‌ی مورد نیاز است که می‌توان در بخش‌های دیگر از آن استفاده کرد. درواقع با سیستم IVA و به‌خصوص نبود اتصال مکانیکی بین سوپاپ و میل لنگ در آن، امکان ابداع روش‌های جدید بهینه‌سازی قوای فنی وجود دارد که فقط با گذشت زمان و آزمون و خطای بیشتر حاصل آن مشاهده خواهد شد. گاستیک در این رابطه گفت:

یکی از بهترین ویژگی‌های سیستم IVA، امکان استفاده از روش‌های دیگر احتراق داخلی نامرسوم مانند چرخه‌ی میلر، Lamnda 2 و HCCI است. در این روش‌ها، داشتن کنترل دقیق بر عملکرد سوپاپ‌ها اولویت اول است؛ IVA می‌تواند درب ورودی به استفاده‌ از این چرخه‌های کمتر شناخته شده باشد. امروز پیشرانه‌های دوزمانه کمتر در خودروسازی دیده می‌شوند. این نوع پیشرانه در سرعت‌های ثابت بزرگراه عملکردی خوبی دارند اما در شرایطی که نیازمدن سرعت‌گیری آنی است قدرت لازم در دسترس راننده نیست. هنوز به‌طور کامل آزمایش نشده است اما با IVA می‌توان عمیات چهارزمانه‌ی احتراق را در مدت زمانی کوتاه به دوزمانه تغییر داد. اساساً با این‌کار در مدت زمانی کوتاه می‌توان قدرت خروجی را دوبرابر کرد؛ زمان استفاده از این کار به حرارت و روغن موتور بستگی دارد. قصد داریم این مورد را پس از اتمام طراحی پیشرانه‌ی جدید و نصب IVA در بخش خروجی سوپاپ‌ها، آزمایش کنیم.

گاستیک در ادامه از امکان ایجاد احتراق ۱۲ زمانه صحبت می‌کند. با وجود IVA، می‌توان در حالت رانندگی بزرگراه، پیشرانه را در حالت ۱۲ زمانه قرار داد؛‌ در این حالت هر سیلندر فقط در هر مرحله‌ی سوم، اما در کل پیشرانه انفجار را انجام می‌دهد. می‌توان این حالت را مانند غیرفعال‌سازی شناور سیلندر تشبیه کرد. در سیستم‌های غیرفعال سازی سیلندر فعلی، معمولاً همیشه یک یا دو سیلندر ثابت غیرفعال می‌شوند. زمانی که دوباره این سیلندرها به جریان تولید قدرت باز می‌گردند، به‌دلیل جمع شدن روغن در آن‌ها هنگام فعال نبودن، هیدروکربن به وجود می‌آید. با ایجاد حالت ۱۲ زمانه، تمام سیلندرها بدون تجمع روغن گرم باقی می‌مانند. گاستیک ادامه می‌دهد:

زمانی که تا این حد کنترل بر عملکرد پیشرانه داشته باشیم، انواع روش‌های جدید شامل تغییرات توربوشارژر و کاتالیزور ممکن می‌شود.

با اینکه در حال حاضر چند مدل آزمایشی توسط متخصصان کم‌کان تولید و آزمایش شده است، اما تا زمانی که خودروسازان از این فناوری در پیشرانه‌های خود اضافه نکنند، مزیت‌های IVA عملیاتی نخواهد شد. متخصصان کم‌کان در حال همکاری با تیم مهندسی جگوار لندرور هستند و تاامروز، یک مقاله‌ی علمی در مورد IVA هم منتشر کرده‌اند. گاستیک اشاره می‌کند که این همکاری ادامه دارد اما، بزرگ‌ترین فرصت تجاری کم‌کان در بازار آسیا و کشورهای ژاپن، کره‌‌ی جنوبی و چین خواهد بود. مهندسان کم‌کان نمونه‌ای از IVA را در یک پیشرانه‌ی تک سیلندر تولید کرده‌اند تا قطعه‌سازان و شرکت‌های تولیدکننده‌ی پیشرانه با درک روش کار آن، پیشرانه‌ی اختصاصی خود با فناوری IVA را تولید کنند. مدیران ارشد این شرکت انگلیسی معتقد هستند که مجموعه سوپاپ دیجیتال و برقی کم‌کان IVA با مصرف مناسب سوخت و آلایندگی کمتر، جایگزین پیشرانه‌های دیزل خواهد شد.

گاستیک می‌گوید:

هنوز نمی‌توانیم رقمی دقیق برای هزینه‌های تولید انبوه اعلام کنیم، اما مطمئناً از هزینه‌ی تولید پیشرانه دیزل کمتر است. سه ماه‌ گذشته، فروش خودروهای دیزل در بازار اروپا حدود ۱۷ درصد کاهش داشته که عامل‌هایی چون دیزل‌گیت فولکس واگن، در این کاهش فروش نقش داشته است. با کاهش فروش خودروهای دیزل، مردم به خرید مدل‌های بنزینی که آلایندگی بیشتری دارند، روی آورده‌اند. به‌همین خاطر وجود سیستمی که آلایندگی خودروهای بنزینی را کاهش دهد، بسیار ارزشمند است. IVA چندان ارزان‌قیمت نیست اما در مقایسه با پیشرانه‌ی دیزل، اصلاً هم گران قیمت نیست.

سیستم مجموعه‌ سوپاپ دیجیتال و برقی IVA، بدون شک انقلابی قابل توجه در پیشرفت پیشرانه‌های درون‌سوز خواهد بود. علاوه بر استفاده‌های فراوان آن در خودروهای تولید انبوه جاده‌ای، احتمالاً شرکت‌های تیونینگ و تولیدکننده‌ی موتورهای مخصوص مسابقه هم از این فناوری هیجان‌زده هستند. برای درک بهتر عملکرد این سیستم، پیشنهاد می‌کنیم ویدئوی قرار داده شده را تماشا کنید.