چرا میل بادامک به سرسیلندر منتقل شد؟

انتقال میل سوپاپ به سرسیلندر، روی برنده در طولانی‌ترین نبرد مهندسی صد و سی ساله موتور احتراق داخلی بود.
انتقال میل سوپاپ به سرسیلندر، روی برنده در طولانی‌ترین نبرد مهندسی صد و سی ساله موتور احتراق داخلی بود.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

این پرسش که سوپاپ‌ها در موتور کجا قرار بگیرند و با چه مکانیزمی کنترل شوند، در طول تاریخ موتور احتراق داخلی به یکی از ماندگارترین نبردهای مهندسی دامن زده است. پاسخ؛ از چیدمان L-head که سوپاپ‌ها را در بلوک نگه می‌داشت، به OHV که در آن میل‌سوپاپ داخل بلوک با میله‌های فشاری سوپاپ‌های سرسیلندر را باز می‌کرد، و از آنجا به معماری‌های OHC و DOHC که میل‌سوپاپ را به سرسیلندر منتقل کردند، خط تحولی 130 ساله دنبال شد. این نوشته به نقطه‌های عطف آن تحول و موازنه واقعی مزایا و معایب هر طراحی همراه با داده‌های فنی می‌پردازد.

نکات برجسته

  • 1876: نخستین موتور کاربردی چهارزمانه نیکولاوس اتو، از سوپاپ‌های لغزنده به‌ارث‌رسیده از موتورهای بخاری استفاده می‌کرد.
  • 1894: نمونه اولیه دیزل، نخستین موتور OHV شناخته‌شده با چیدمان میل‌سوپاپ + میله فشاری + اهرم تابه‌ای را معرفی کرد.
  • 1904: بویک مدل B نخستین موتور OHV تولید انبوه جهان بود؛ در همان سال‌ها مار اتو-کار از نخستین موتورهای OHC شناخته‌شده استفاده کرد.
  • 1980: آلفا رومئو اسپایدر 2000، نخستین موتور تولید انبوه با زمان‌بندی متغیر سوپاپ؛ ریشه این ایده به ثبت اختراع کادیلاک در 1903 بازمی‌گردد.
  • 1994: موتور پوشرود مرسدس-بنز 500I مسابقه ایندیاناپلیس 500 را با اختلاف زیادی بر رقبای مجهز به OHC برد.

چرا میل‌سوپاپ به سرسیلندر منتقل شد؟ خاستگاه مسئله

سؤال ساده به نظر می‌رسد: سوپاپ‌ها باید تا حد ممکن به محفظه احتراق نزدیک باشند، زیرا هرچه جبهه شعله مسیر کوتاه‌تری طی کند، احتراق کنترل‌شده‌تر خواهد بود. اما میل‌سوپاپ به یک محرک نیاز دارد؛ باید از طریق دنده یا زنجیر از میل‌لنگ بچرخد. اگر سوپاپ‌ها را در بلوک، یعنی زیر محفظه احتراق قرار دهید، میل‌سوپاپ را هم می‌توانید در بلوک بگذارید و کل مکانیزم را کوتاه و ساده نگه دارید. اما اگر سوپاپ‌ها را به سر ببرید، ناچارید یا میل‌سوپاپ را در بلوک نگه دارید و یک زنجیره انتقال طولانی بسازید، یا میل‌سوپاپ را هم به سر منتقل کنید و سیستم محرک را طولانی‌تر کنید. تمام نبردهای معماری سوپاپ، چیزی جز راه‌حل‌های مختلف همین تنش سادگی–بازده نیست.

بازیگران نخست از بیرونِ این تنش شروع کردند. نخستین موتور اتو که در 1876 کار کرد، با سوپاپ‌های لغزنده به‌ارث‌رسیده از سنت موتورهای بخاری کار می‌کرد. هرچه موتور احتراق داخلی بالغ‌تر شد، جای سوپاپ‌های لغزنده را سوپاپ‌های پروانه‌ای به معنای امروزی گرفت؛ طراحی با سطح اصطکاک کم و سرعت پاسخ بالا. در خودروهای اولیه مانند دایملر رایتفاگن 1885 شکل واسط جالبی دیده می‌شود: سوپاپ‌های مکش در سر بودند اما نه با میل‌سوپاپ، بلکه به‌کمک خلأ در کورس مکش، یعنی به‌صورت اتمسفری باز می‌شدند؛ سوپاپ‌های دود اما همچنان در بلوک بودند و با میل‌سوپاپ کنترل می‌شدند.

L-head: عصر طلایی و مرز سادگی

در چیدمانی که فلت‌هد یا L-head نامیده می‌شود، هر دو سوپاپ زیر محفظه احتراق و داخل بلوک قرار دارند. میل‌سوپاپ در بلوک است و سوپاپ‌ها را مستقیماً باز می‌کند؛ نه میله فشاری دارد، نه اهرم تابه‌ای و نه زنجیره محرکی که از سر عبور کند. موتوری است که تولیدش ارزان، نگهداریش آسان و مونتاژش تقریباً بی‌دردسر است. در آمریکا این سادگی چندان جذاب بود که موتورهای فلت‌هد تا اواسط و اواخر دهه 1950 رواج خود را حفظ کردند.

اما سادگی بهایی داشت: چون سوپاپ‌ها به زور در لبه‌ی محفظه‌ی احتراق جا گرفته بودند، محفظه به شکل عجیبی شبیه L وارونه خم می‌شد. جبهه‌ی شعله طولانی‌تر می‌شد، بازدهی حرارتی پایین می‌آمد و تنگی نفس در دورهای بالا گریزناپذیر بود. میل مهندسان به نگه‌داشتن محفظه‌ی احتراق در حالت فشرده و کروی، منشأ تمام فشاری بود که به سمت بالا بردن سوپاپ‌ها به سرسیلندر وجود داشت. همین فشار، سرانجام L-head را از صحنه‌ی تاریخ پایین کشید.

نباید از یک ترکیب هیبریدیِ میانه نیز غافل شد: در چینش F-head یا IOE (مکش روی دود)، برای هر سیلندر یک سوپاپ در بلوک و دیگری در سرسیلندر قرار دارد. این راه‌حل عمل‌گرایانه که با بالا بردن سوپاپ مکش از بخشی از پیچیدگی مکانیکی می‌پرهیزید، سال‌ها تولید می‌شد.

OHV: چرا آمریکا Pushrod را برگزید؟

Pushrod motoru Amerika'yı fethetti çünkü düşük kaput, düşük ağırlık merkezi ve bol tork sunuyordu; bedeli ise yüksek devirde supap yüzmesiyle ödendi.

چینش OHV یک سازش هوشمندانه است: سوپاپ‌ها به سرسیلندر می‌روند و محفظه‌ی احتراق شکل درستی می‌گیرد؛ اما میل‌سوپاپ در بلوک باقی می‌ماند و از طریق زنجیره‌ی تپت، میل‌تاقون (pushrod) و اهرم فنری به سوپاپ‌ها فرمان می‌دهد. نبرد دقیقاً در همین زنجیره رقم می‌خورد. مزیت این زنجیره بی‌بحث است:

  • ارتفاع کاپوت کم می‌شود، مرکز ثقل پایین می‌آید؛ در موتورهای V، برتری چیدمان چشمگیر است.
  • میل‌سوپاپ به میل‌لنگ نزدیک است؛ با یک زنجیر کوتاه یا اتصال مستقیم دنده‌ای راه‌اندازی می‌شود و مجموعه‌ی تسمه-زنجیر-تنش‌زنِ OHC وجود ندارد.
  • روغن‌کاری ساده‌تر می‌شود: اهرم‌های فنری کافی‌اند، میل‌تاقون‌ها می‌توانند توخالی باشند و یک پمپ روغن کوچک‌تر کار را راه می‌اندازد.
  • فراوانی گشتاور در دور پایین و دوام؛ درست گلی است بر سر و شانه‌ی وانت‌ها و muscle carها.

اما بهای آن در تعداد قطعات متحرک گیربکس سوپاپ نهفته است. اینرسی جرم تشکیل‌شده از تپت، pushrod و اهرم فنری باعث می‌شود در دورهای بالا سوپاپ‌ها نتوانند کارکم را دنبال کنند و شناور شوند (valve float). افزون بر این، اشغال فضا توسط pushrodها در سرسیلندر، تعداد سوپاپ هر سیلندر را عملاً روی عدد دو ثابت می‌کند؛ ساختن یک سرسیلندر OHV چهار سوپاپه آن‌قدر دشوار است که عملاً غیرممکن دانسته می‌شود.

ترتیب تاریخی ماجرا هم جالب است: OHV فکری کهن‌تر از آن چیزی است که تصور می‌کنیم. پروتوتایپ دیزلِ سال 1894 ، نخستین موتور OHV شناخته‌شده با سوپاپ‌های پاپت بالایی است که با زنجیره‌ی میل‌سوپاپ–pushrod–اهرم فنری کنترل می‌شدند. در سال 1896 ویلیام اف. دیویس برای یک OHV با سرسیلندر آب‌خنک در آمریکا ثبت اختراع کرد (هیچ نمونه‌ی کارکردی ساخته نشد)؛ در 1898 والتر لورنزو مار تری‌وِیل خود با موتور OHV را ساخت و بین سال‌های 1899 تا 1902 در همان روزهای تأسیس بوئیک، این طرح را بالغ کرد. نتیجه، بوئیک مدل B سال 1904 بود: نخستین موتور OHV تولید انبوه جهان، یک flat-twin دوسوپاپه برای هر سیلندر. در 1905 تعداد 750 دستگاه فروخته شد و از آن روز به بعد بوئیک تقریباً همیشه بر OHV ماند. در 1911 حتی شورولت هم مانند بوئیک تقریباً تنها OHV تولید می‌کرد.

دو رخداد که سقف OHV را نشان می‌دهند شایان توجه است. در ایندیاناپلیس 500 سال 1994، تیم پنسکی با موتور pushrod مرسدس-بنز 500I - که از حفره‌ی قوانین، مزیت حجم و بوست به دست آورده بود - از پول‌پوزیشن حرکت کرد و رقیبان OHC‌دارش را با فاصله‌ای زیاد پشت سر گذاشت. اما در سال 2008، نسل چهارم Dodge Viper با نخستین موتور pushrod تولید انبوهی که از VVT استفاده می‌کرد عرضه شد؛ 21. در اوایل قرن، جنرال موتورز و کرایسلر برای کاهش مصرف سوخت، غیرفعال‌سازی سیلندر را به موتورهای V8 pushrod خود اضافه می‌کردند. در هر دوره‌ای که مرگ pushrod اعلام می‌شد، این موتور یک بار دیگر نفس تازه می‌گرفت.

ظهور OHC: چالش‌آفرینی از اروپا

تاریخ OHC به قدمت OHV است و به‌طور متناقضی از همان نام عبور می‌کند: 1904 Marr Auto-Car که میراث طراحی والتر مار را با خود داشت، از یکی از نخستین موتورهای شناخته‌شده OHC استفاده کرد. میله سوپاپ در سرسیلندر قرار دارد و درست بالای سوپاپ‌ها عمل می‌کند؛ زنجیره pushrod از میان برداشته می‌شود و زمان‌بندی سوپاپ‌ها دقتی سخت‌گیرانه پیدا می‌کند. اما طی دهه‌ها، این راه‌حل تنها به خودروهای پرفورمانس بالا پناه می‌برد؛ برای اقتصاد تولید انبوه بیش از حد گران بود.

معادله در نیمه نخست قرن بیستم تغییر کرد. OHC از دهه 1950 تا دهه 1990 با منحنی‌ای کند اما باثبات گسترش یافت و در اوایل قرن بیست‌ویکم (به‌جز برخی V8های آمریکای شمالی) اکثریت موتورهای خودرویی با میله سوپاپ منتقل‌شده به سر تولید می‌شدند. باید دو لایه را از هم جدا کرد: در چیدمان SOHC برای هر ردیف سیلندر تنها یک میله سوپاپ وجود دارد؛ هم مکش و هم اگزوز را کنترل می‌کند، اغلب به دو سوپاپ در هر سیلندر محدود است، ارزان است و نگهداری آسانی دارد. اما DOHC برای مکش و اگزوز از دو میله سوپاپ جداگانه استفاده می‌کند؛ چهار سوپاپ در هر سیلندر، جریان هوای برتر، تحمل دور موتور بالا و پشتیبانی از VVT، قلمرو طبیعی این چیدمان است.

یک پانویس کوچک، طبقه‌بندی معماری را نیز دشوار می‌کند: در برخی طراحی‌ها مانند Ford CVH و Opel CIH، میله سوپاپ در سر قرار دارد اما زیر یا کنار سوپاپ‌ها جای گرفته است. با توجه به واقعیت‌های مکانیکی، این‌ها در اصل OHV به شمار می‌آیند - به همان اندازه که موقعیت فیزیکی میله سوپاپ مهم است، زنجیره کنترل نیز تعیین‌کننده است.

چند سوپاپ در هر سیلندر؟ تولد رقابت بهره‌وری

وقتی میله سوپاپ به سر منتقل شد، حرکت بعدی آشکار بود: سوپاپ‌های بیشتر برای هر سیلندر. ریشه‌های طراحی‌های چندسوپاپه به خودروهای مسابقه‌ای سال 1912 بازمی‌گردد، اما تبدیل این مفهوم به استاندارد بالفعل به اواسط دهه 1980 رسید. Ferrari 308 GTB Quattrovalvole (1982) و BMW M635CSi (1983) مدل‌هایی بودند که نشان دادند چهار سوپاپ در هر سیلندر تقریباً اجباریِ دنیای پرفورمانس بالا است. چهار سوپاپ به معنای بهینه‌سازی جداگانه مکش و اگزوز، نزدیک شدن شمع احتراق به مرکز محفظه و افزایش ظرفیت تنفس در دورهای بالا بود.

چهار سوپاپ نیز سقف نبود: در دوره‌ای از دهه 1980 تا اوایل دهه 2000، موتورهای پنج‌سوپاپه محبوب بودند اما همیشه غیرمعمول باقی ماندند. هرچه پیچیدگی بیشتر می‌شد، دستاورد کمتر بود؛ پنج سوپاپ به‌عنوان یک نمایش مهندسی باقی ماند و به استاندارد صنعتی تبدیل نشد.

فهرست نمونه‌های آیکونیک DOHC گسترده است: Alfa Romeo Twin Cam (1954)، Chrysler Hemi (1964) و معماری CVCC هوندا که در 1972 معرفی شد، کلاسیک‌های این فهرست هستند. CVCC در سال 1975 با Civic وارد تولید انبوه شد، هوندا را در جایگاه پیشتاز نوآوری انتقال قدرت قرار داد و به نماد چالش جهانی مهندسی ژاپن به معماری سوپاپ بدل شد. همین هوندا در سال 1989 سیستم VTEC را که با Integra عرضه شده بود، معرفی کرد؛ برنامه‌ای که در مارس 1984 آغاز شده بود، در سال 1987 نمونه اولیه‌ای از آن را در City دیده بود. تنظیمات زمان‌بندی متغیر و بالا آمدن سوپاپ VTEC مبتنی بر DOHC در سطح موتورهای مسابقه‌ای خود هوندا قرار داشت.

زمان‌بندی متغیر سوپاپ: ایده‌ای با 80 سال قدمت

VTEC انقلابی به نظر می‌رسد، اما سن ایده زمان‌بندی متغیر سوپاپ شگفت‌آور است. Cadillac Runabout سال 1903 نخستین نمونه ثبت‌شده با یک ثبت اختراع مکانیزم سوپاپ متغیر است؛ منابع آن دوران می‌نویسند که کادیلاک در آن زمان در حال تولید یک VVT با کنترل راننده بوده، موضوعی که به سه سال پیش از تولد سوئیچیرو هوندا بازمی‌گردد. از سال 1903 تا 1979، کادیلاک، پورشه و فیات طراحی‌های مختلف VVT را آزمودند اما هیچ‌کدام به تولید انبوه نرسیدند.

مرز با Alfa Romeo Spider 2000 سال 1980 شکسته شد: نخستین موتور تولید انبوه مجهز به VVT. در ژاپن هم ترتیب با آنچه اکثریت تصور می‌کنند متفاوت است؛ نخستین شرکت تولیدکننده موتور با VVT در ژاپن هوندا نیست، بلکه نیسان است. سیستم NVCS (Nissan Valve-Timing Control System) نیسان به سال 1986 برمی‌گردد و ابتدا در موتور VG30DE شش سیلندر خورجینی 24 سوپاپه 3 لیتری به کار گرفته شد. VTEC هوندا اما ریشه در سیستم REV (Revolution-modulated valve control) دارد که در موتورسیکلت CBR400 معرفی شد. پس VVT داستان یک مخترع واحد یا یک برند واحد نیست؛ داستان ایده‌ای است که در سال 1903 ثبت اختراع شد، آرام‌آرام بالغ گشت و در دهه 1980 به استاندارد صنعت تبدیل شد.

سوپاپ‌های دسمودرومیک: بن‌بست یا گنج حذف فنر؟

متعجب‌ترین راه‌حل معماری سوپاپ، مسئله را از ریشه‌ای متفاوت بررسی می‌کند: برای بستن سوپاپ از فنر استفاده نکنید. در آرایش دسمودرومیک، سوپاپ قارچی به‌جای فنر، با سیستم بادامک و اهرم به‌صورت مثبت هم باز و هم بسته می‌شود. مزیت در تئوری روشن است: ضعف فنرهای سوپاپ از بین می‌رود و بدون خطر خرابی فنر، شتاب و کند شدن سوپاپ در سرعت‌های بسیار بالاتری مجاز است. در دورهای بالا صرفه‌جویی در توان نیز فراهم می‌کند و چندان پیچیده نیست که بیشتر مردم تصور می‌کنند.

استدلال مقابل نیز دست‌کم به همان اندازه محکم است: آنچه سقف واقعی دور هر موتور را تعیین می‌کند خطر فنر نیست، بلکه جرم و هندسه valvetrain است. متالورژی و علم مواد مدرن کنترل سوپاپ را بسیار روان‌تر از گذشته کرده است؛ با افزایش استحکام مکانیکی فنر، مزیت ذاتی دسمو ذوب شد. دسمو امروز را می‌توان راه‌حلی توصیف کرد که ابتدا با ظرافت مکانیکی و ارزش بازاریابی خود پابرجاست، در حالی که توجیه فنی آن به‌تدریج ضعیف می‌شود.

کدام معماری سوپاپ بهتر است؟ مقایسه

معماریموقعیت بادامکتعداد معمول سوپاپنقطه قوتنقطه ضعف
L-head (flathead)در بلوک، سوپاپ‌ها در بلوک2 سوپاپ در هر سیلندرسادگی تولید و نگهداریمحتراق ناکارآمد، سقف دور پایین
OHV (پوشراد)در بلوک، سوپاپ‌ها در سرسیلندر۲ سوپاپ به ازای هر سیلندربسته فشرده، گشتاور در دور پایین، محرک سادهشناوری سوپاپ در دور بالا، دشواری ۴ سوپاپ
SOHCدر سرسیلندر، یک میل‌سوپاپ۲ سوپاپ به ازای هر سیلندرساده، ارزان، نگهداری آسانجریان هوای محدود در مقایسه با DOHC
DOHCدر سرسیلندر، مکش و دمنده جداگانه۴ سوپاپ به ازای هر سیلندر (معمولاً)جریان عالی، دور بالا، پشتیبانی از VVTسیستم محرک پیچیده و گران

از جدول برنده واحدی بیرون نمی‌آید؛ منابع نیز به همین نتیجه مشترک رسیده‌اند. در کاربردهای گشتاورمحور، سنگین و V8، OHV هنوز انتخابی معقول است؛ برای تولید انبوه متعادل، SOHC کفایت می‌کند؛ اگر پای عملکرد و مصرف سوخت در میان باشد، DOHC با زمان‌بندی سوپاپ پیشرفته‌تر و جریان هوای بهتر معمولاً کارآمدترین گزینه است. پشت اصرار GM بر پوشراد نیز محاسبه مهندسی مشابهی نهفته است: خروجی‌های سطح بالا و مزیت فضایی در موتور می‌توانند در یک موتور واحد جمع شوند.

تعادل 130 سال: امروز کجا ایستاده‌ایم؟

فصل پایانی جنگ‌های معماری سوپاپ، برنده واحدی اعلام نکرد. Flathead به تاریخ پیوست؛ OHV در دنیای وانت و V8 آمریکای شمالی در پایه‌ای کوچک اما مستحکم حبس شد؛ ترکیب DOHC و VVT به استاندارد بالفعل عملکرد و راندمان تبدیل شد. انتقال میل‌سوپاپ به سرسیلندر در سال 1904 به‌عنوان کنجکاوی اک">@ سانتریفیوژی آغاز شد، در نیم قرن به امتیاز عملکردی بدل شد و در دهه 1990 به پیش‌فرض صنعت تبدیل شد. پرسش از اینکه سوپاپ کجا قرار بگیرد، موازی با پرسش از اینکه موتور چقدر کارآمد، چقدر چابک و چقدر بادوام خواهد بود پیش رفت - و پس از 130 سال هنوز کاملاً بسته نشده است.

منابع