فناوری قطع سیلندر: خواباندن نیمی از موتور

موتوری که به دنبال قدرت بی‌نیاز می‌دود، بی‌دلیل سوخت می‌سوزاند؛ غیرفعال‌سازی سیلندر دقیقاً با خواباندن همین فضای بلااستفاده، صرفه‌جویی ایجاد می‌کند.
موتوری که به دنبال قدرت بی‌نیاز می‌دود، بی‌دلیل سوخت می‌سوزاند؛ غیرفعال‌سازی سیلندر دقیقاً با خواباندن همین فضای بلااستفاده، صرفه‌جویی ایجاد می‌کند.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

خاموش‌کردن سیلندر یک فناوری بهره‌وری است که در لحظاتی که موتور به توان کامل نیاز ندارد، سیلندرهای مشخصی را با بستن سوپاپ‌ها از مدار خارج می‌کند و عملاً موتور را با حجم کوچک‌تری به کار می‌اندازد. در حالت درجا، در سفرهای بزرگراهی یا در گاز ملایم، به سیلندرهای بدون استفاده سوخت پاشیده نمی‌شود؛ به این ترتیب موتور برای تولید توانی که به آن نیاز نیست سوخت مصرف نمی‌کند. در پیاده‌سازی‌های مدرن، این تغییر آنقدر نرم است که اغلب راننده‌ها متوجه آن نمی‌شوند و بسته به شرایط، بهبود قابل اندازه‌گیری در مصرف سوخت ایجاد می‌کند.

نکات برجسته

  • خاموش‌کردن سیلندر معمولاً نیمی از موتور را غیرفعال می‌کند: V8 به چهار سیلندر و موتور چهارسیلندر به دو سیلندر کاهش می‌یابد.
  • برآورد وزارت انرژی آمریکا از بهبود اقتصادی بودن سوخت حدود 7.5 درصد است؛ در شرایط بزرگراهی کاهش مصرف در بازه 8 تا 25 درصد قرار دارد.
  • در سیلندرهای خاموش اثر فنر هوایی شکل می‌گیرد؛ گازهای اگزوز محبوس‌شده بار خالصی به موتور تحمیل نمی‌کنند.
  • این فناوری از زمان آزمایش Cadillac V8-6-4 در سال 1981 تاکنون همراه با کنترل الکترونیکی بالغ شده است.
  • فراخوان‌های رسمی (مرسدس، مزدا) نشان می‌دهند که در صورت خرابی سیستم، پیامدها می‌توانند جدی باشند.

فناوری خاموش‌کردن سیلندر چگونه کار می‌کند؟

Şehir içinde giden bir aracın gücüne aslında yarım motor yeter; kalan silindirler vanaları kapalı olarak boşuna yakıt yakmaz.

منطق پایه ساده است: تمام یک موتور چندسیلندره اغلب فقط به بخشی از توان نیاز دارد. برای نگه داشتن خودرویی که با سرعت ثابت در جاده صاف حرکت می‌کند، چهار یا شش سیلندر به‌طور کامل کافی است. سیستم‌های خاموش‌کردن سیلندر دقیقاً در همین نقطه وارد عمل می‌شوند و با نگه داشتن سوپاپ‌های intake و اگزوز برخی سیلندرها در وضعیت بسته، پاشش سوخت به آن سیلندرها را قطع می‌کنند. وقتی سوپاپ‌ها بسته هستند، سیلندر مربوطه از چرخه احتراق خارج می‌شود و موتور عملاً گویی حجم کوچک‌تری دارد کار می‌کند.

اما پیستون درون سیلندری با سوپاپ‌های بسته چه می‌کند؟ گاز اگزوز در محفظه احتراق حبس می‌شود؛ با بالا رفتن پیستون فشرده و با پایین آمدن آن دوباره منبسط می‌شود. این اثر «فنر هوایی» در دو جهت یکدیگر را خنثی می‌کند و سیلندر خاموش بار خالصی به موتور تحمیل نمی‌کند. یعنی سیلندرهای خاموش‌شده به‌جای ترمز کردن موتور، آرام و بی‌دردسر مرخصی می‌گیرند.

تصمیم‌گیرنده، واحد کنترل موتور (ECU) است. ECU که داده‌های حسگرهایی مانند سرعت، بار موتور و موقعیت دریچه گاز را به‌طور پیوسته پایش می‌کند، در شرایط بار کم سیلندرها را غیرفعال می‌سازد و وقتی راننده گاز می‌دهد، سیستم در کسری از میلی‌ثانیه تمام سیلندرها را دوباره روشن می‌کند. در موتور بنزینی هدف، کاهش تلفات تبادل گاز است: در بار کم، دریچه گاز تقریباً بسته است و موتور برای مکش هوا ناخواسته انرژی صرف می‌کند. وقتی سیلندرهای کمتری کار می‌کنند، هر سیلندر بیشتر فشار می‌بیند، دریچه گاز باید بازتر بماند و موتور در ناحیه بازده‌تری کار می‌کند.

اما در موتور دیزل هدف متفاوت است

انگیزه اصلی خاموش کردن سیلندرها در موتورهای دیزلی، گرم کردن اگزوز است. دیزل‌ها در بار کم به سختی دمای اگزوز را به سطح کافی می‌رسانند؛ وقتی سیلندرهای باقی‌مانده زیر بار بالاتری کار می‌کنند، گرمای بیشتری تولید می‌شود. این گرما، سیستم تصفیه پس از اگزوز را سریع‌تر به دمای عملیاتی می‌رساند و آلاینده‌ها را کاهش می‌دهد. در کاربردهای خودروهای سنگین، تغییر از 6 سیلندر به 4 سیلندر می‌تواند در مصرف درجا حدود 14-18 درصد بهبود ایجاد کند.

در چه شرایطی کدام سیلندرها خاموش می‌شوند؟

بیشتر سیستم‌ها همزمان نیمی از سیلندرها را خاموش می‌کنند: موتور V8 به چهار سیلندر، V6 به سه سیلندر و موتور چهار سیلندر به دو سیلندر کاهش می‌یابد. هدف، حفظ فاصله احتراق بدون به هم زدن تعادل موتور است؛ به همین دلیل به جای چیدمان نامنظم، جفت‌های متعادل انتخاب می‌شوند. با این حال رویکرد همه سازندگان یکسان نیست.

حتی نمونه‌های اولیه نیز این تنوع را نشان می‌دهند. Mitsubishi MD (1982) در سرعت‌های زیر 70 کیلومتر بر ساعت، در درجا و هنگام کاهش سرعت، سیلندرهای شماره 1 و 4 را خاموش می‌کرد؛ مصرف حدود 20 درصد بهبود یافت اما موتور در حالت دو سیلندر لرزان کار می‌کرد. سیستم VCM هوندا (از 2003) با خاموش کردن بانک‌های سیلندر می‌تواند بین شش، چهار و سه سیلندر جابه‌جا شود. جالب‌تر از آن، سیستمی است که جنرال موتورز در 2018 معرفی کرد: Dynamic Fuel Management: این سیستم که بر پایه رویکرد "Dynamic Skip Fire" شرکت Tula Technology است، می‌تواند بسته به نیاز هر تعداد سیلندر را در ترکیب‌های مختلف خاموش کند - یعنی تمام سیلندرهای موجود در توالی احتراق می‌توانند یکی‌یکی نادیده گرفته شوند.

مازدا اما در موتور تنفس طبیعی 2.5 لیتری خود ترجیح داد سیلندرهای میانی به احتراق ادامه دهند: در بار سبک، سیلندرهای شماره 1 و 4 خاموش می‌شوند و سیلندرهای 2 و 3 به کار ادامه می‌دهند.

آیا راننده متوجه می‌شود؟ مهندسی ارتعاش و NVH

پاسخ این پرسش، بسته به تاریخچه این فناوری، بسیار تغییر کرده است. در سیستم‌های نسل اول، متوجه شدن آن چندان سخت نبود، حتی آسان بود. Cadillac V8-6-4 (1981) در جابه‌جایی‌ها سختی و مکث ایجاد می‌کرد؛ با وجود 13 به‌روزرسانی نرم‌افزاری، پس از تنها یک سال مدل حذف شد و در خودروهایی که سال قبل فروخته شده بودند، سیستم به طور دائمی غیرفعال شد. سیستم اولیه MD میتسوبیشی نیز ناچار بود با لرزش حالت دو سیلندر مبارزه کند: اقداماتی مانند تکیه‌گاه‌های موتور با میرایی هیدرولیکی خاص، یک بخش انعطاف‌پذیر در لوله اگزوز، flywheel حدود 70 درصد سنگین‌تر و فعال نشدن سیستم پیش از رسیدن آب خنک‌کننده به 70 درجه سانتی‌گراد اتخاذ شد.

سیستم MIVEC-MD نسل دوم میتسوبیشی در سال 1993، به لطف کنترل الکترونیکی پیشرفته، جابه‌جایی از 4 به 2 سیلندر را تقریباً نامحسوس کرد - اجداد سیستم‌های امروزی در همین نقطه شکل گرفتند. در سیستم‌های مدرن، جابه‌جایی‌ها تقریباً آنی هستند و با تنظیمات آوانس احتراق، زمان‌بندی میل سوپاپ و دریچه گاز الکترونیکی نرم می‌شوند. در موتورهای V6، به دلیل ترتیب احتراق و تغییرات گشتاور، چالش‌های جدی NVH (صدا، ارتعاش، سختی) همچنان باقی است و به همین دلیل این پیکربندی‌ها از نظر مهندسی در زمره چالش‌برانگیزترین‌ها قرار دارند.

وانت‌ها چگونه خاموش می‌شوند؟

مکانیزم بسته به سیستم سوپاپ موتور تغییر می کند:

  • موتورهای میله فشاری (pushrod): سولنوئید فشار روغن ارسالی به پین های قفل در لیفت ها را تغییر می دهد؛ با خروج پین، لیفت جمع شده و سوپاپ بسته می ماند.
  • موتورهای میل سوپاپ رو (overhead cam): برای هر سوپاپ از جفت اهرم قفل شونده روی هم استفاده می شود؛ وقتی فشار روغن کنترل شده توسط سولنوئید پین قفل را آزاد می کند، یکی اهرم میل سوپاپ را دنبال می کند و دیگری بی حرکت می ماند.
  • راه حل مازدا: یک کلید افزوده شده به تنظیم کننده های هیدرولیکی سوپاپ، با تغییر نقطه لولا شدن اهرم، حرکت سوپاپ را متوقف می کند.

صرفه جویی واقعی در مصرف سوخت چقدر است؟

اعداد بسته به پیاده سازی و شرایط در بازه گسترده ای قرار می گیرند. طبق برآورد وزارت انرژی آمریکا بهبود اقتصاد سوخت حدود 7.5 درصد است؛ سازندگان اما ادعای افزایش راندمان تا 20 درصد را دارند. در شرایط بزرگراهی گفته می شود کاهش مصرف می تواند 8 تا 25 درصد باشد. در سمت دیزلی با تکنیک های CDA و بستن زودهنگام سوپاپ دود، هدف کاهش مصرف در بازه 5 تا 25 درصد است.

آزمایش های دنیای واقعی می توانند نتایج متواضع تری بدهند. در دیزل سنگین در آزمون های استاندارد سوخت 2.76 درصد و در یک مسیر توزیع 2 درصد صرفه جویی اندازه گیری شد - ترافیک متغیر، بار و شرایط آب و هوایی در رانندگی روزمره، رسیدن به سقف بازه محیط آزمایشگاهی را دشوار می کند. ادعاهای تاریخی نیز تصویری مشابه ترسیم می کنند: کادیلاک V8-6-4 وعده بهبود تا 15 درصد می داد؛ آلفا رومئو آلفتا CEM (1983) در مقایسه با نسخه بدون حجم متغیر 12 درصد و در مقایسه با خودروی کاربراتوری تقریبا 25 درصد کاهش اندازه گیری کرد. خلاصه: بهره واقعی است اما میزان آن کاملا به این بستگی دارد که چه مدت می توانید با سیلندرهای بسته حرکت کنید - راننده ای که در ترافیک شهری مدام شتاب می گیرد و می ایستد، بسیار کمتر از راننده ای که با سرعت ثابت در بزرگراه می رود بهره مند می شود.

تفاوت های پیاده سازی در موتورهای تنفس طبیعی و توربو

خاموش کردن سیلندر تا حدی رویکردی جایگزین برای موتورهای توربوی کوچک ارائه می دهد: هر دو به هدف "قوی در زمان نیاز، کم مصرف در زمان بی نیازی" می روند. رویکرد توربو از ابتدا از یک موتور کوچک استفاده می کند؛ خاموش کردن سیلندر اما از ابتدا موتوری قوی برمی دارد و آن را در بار سبک عملا کوچک می کند. با وجود مزایا و معایب هر دو، فناوری خاموش کردن سیلندر نقطه تعادلی متفاوتی نسبت به تاخیر و پاسخ ذاتی توربوشارژینگ ارائه می دهد.

گستره پیاده سازی نیز به شکل شگفت آوری گسترش یافته است. موتور سه سیلندر معرفی شده در 2016 که یکی از سیلندرهایش قابل خاموش شدن است، یعنی فورد EcoBoost، کوچک ترین موتور شناخته شده ای است که این فناوری را حمل می کند. مازدا Skyactiv-G 2.5 نیز از 2018 به بعد یکی از نمونه های خاموش کردن سیلندر در یک موتور تنفس طبیعی شد. در سمت دیزلی نیز نشان داده شده که خاموش کردن سیلندر در بار کم بدون قربانی کردن توان گشتاور و توان قابل اجراست و اثر منفی بر پاسخ موتور یافت نشد.

یک مقیاس ملموس از گستردگی این فناوری: در سال مدل 2020 حدود 15 درصد'ده قطع‌کردن سیلندر وجود داشت؛ بیشتر اینها محصولات مزدا، جنرال موتورز، هوندا و FCA بودند.

قابلیت اطمینان بلندمدت: آیا این سیستم واقعاً موتور را فرسوده می‌کند؟

صادقانه‌ترین رویکرد، ترسیم تصویری دوگانه زیر این عنوان است. از یک سو کار منظم تمام سیلندرها باعث می‌شود وجود سیستم برای بیشتر کاربران مشکلی ایجاد نکند؛ از سوی دیگر خود سیستم، با مکانیزم‌های اضافی‌اش نقاط خرابی جدیدی به همراه می‌آورد.

فراخوان‌های رسمی چه می‌گویند؟

دو نمونه بزرگ، حالت‌های خرابی احتمالی سیستم را نشان می‌دهند. مرسدس 26.200 دستگاه از مدل‌های 2021 تا 2023 S580 و سدان مایباخ را فراخواند: در صورت خرابی سیستم Camtronic این خطر وجود داشت که انژکتورها سوخت زیادی پاشیده و به کاتالیزور آسیب بزنند و در بدترین حالت، موتور خاموش شود. مزدا نیز 262.000 خودرو از جمله CX-5، Mazda 6 و Mazda 3 را فراخواند؛ خرابی هنگام گذار از حالت قطع به بازشدن کامل می‌توانست خودرو را متوقف کرده و روشن کردن مجدد را غیرممکن سازد.

شکایات کاربران و واقعیت تعمیر و نگهداری

مشکلات گزارش‌شده از میدان رایج‌ترند اما سطح تایید آنها پایین‌تر است. خرابی لیفتر در سیستم‌های AFM جنرال موتورز شکایت رایجی است؛ گفته می‌شود در صورت شناسایی دیرهنگام می‌تواند به خم شدن میل‌تاقله منجر شود و هزینه تعمیرات به هزاران دلار برسد. از دیگر مشکلات گزارش‌شده می‌توان به مصرف بیش از حد روغن، رسوب کربن و لرزش هنگام لحظه گذار اشاره کرد - برخی دارندگان Mazda CX-30 گزارش کرده‌اند که گذار سخت بین حالت 2 و 4 سیلندر را به صورت صدا و حس متوجه شده‌اند. از آنجا که اینها تجربیات تک‌کاربر مبتنی بر انجمن‌ها هستند، تعمیم آنها به همه خودروها گمراه‌کننده است.

در زمینه تعمیر و نگهداری چند نکته عملی برای دانستن وجود دارد. در برخی سیستم‌ها، اگر سرویس خودرو عقب افتاده باشد، کامپیوتر به عنوان اقدام احتیاطی قطع سیلندر را فعال نمی‌کند - یعنی سیستم مشکلی ندارد و وضعیت نگهداری تعیین‌کننده است. غیرفعال کردن سیستم از طریق نرم‌افزار تصمیمی دو لبه است: از یک سو با اینکه به نظر می‌رسد خطر خرابی لیفتر از بین می‌رود، از سوی دیگر تجربه همه سیکل‌های احتراق توسط تمام سیلندرها می‌تواند از نظر تئوری عمر قطعات را کوتاه کند. منطقی‌ترین رویکرد این است که سیستم را همان‌طور که هست بپذیرید، سرویس‌های دوره‌ای را تعطیل نکنید و سطح روغن را به طور منظم بررسی کنید؛ مکانیزم‌های مبتنی بر لیفتر و فشار روغن، از قطعاتی هستند که بیشترین آسیب را از روغن کثیف یا ناکافی می‌بینند.

نتیجه‌گیری: حالت رسیده یک ایده هوشمندانه

غیرفعال‌سازی سیلندر، حاصل داستان بلند بلوغی است که از موتورهای "hit-and-miss" اواخر قرن نوزدهم تا تجربه فاجعه‌بار Cadillac در سال 1981 و از آنجا تا سیستم‌هایی که امروز بی‌سروصدا در میلیون‌ها خودرو کار می‌کنند ادامه دارد. منطق پایه‌ای آن - تولید نکردن قدرتی که لازم نیست - عقل سلیمی بی‌نقص است؛ هر چیز باقی‌مانده، جزئیات مهندسی بود که گذار را نامحسوس می‌کرد و کنترل الکترونیکی مدرن این مانع را تا حد زیادی از میان برداشت. دستاوردهای واقع‌بینانه بسته به شرایط متفاوت است: در رانندگی بزرگراهی قابل‌توجه، در شهر اندک. بحث درباره قابلیت اطمینان کاملاً موجه است اما باید بدون افراط خوانده شود: اگرچه فراخوان‌های رسمی جدی بودند، برطرف شدند و این فناوری امروز به‌عنوان یک راه‌حل استاندارد در طیف گسترده‌ای از خودروها زنده است.

منابع