कैम शाफ्ट सिलेंडर हेड पर क्यों स्थानांतरित किया गया?

वाल्व इंजन में कहाँ स्थित होंगे और किस तंत्र से नियंत्रित होंगे, यह प्रश्न आंतरिक दहन इंजन के इतिहास में सबसे लंबे समय तक चलने वाली इंजीनियरिंग लड़ाइयों में से एक को जन्म देता रहा है। उत्तर है; वाल्वों को ब्लॉक में रखने वाली L-head व्यवस्था से, ब्लॉक के भीतर स्थित कैम पुशरॉड के जरिए हेड के वाल्व खोलती है - OHV, और वहाँ से कैम को सिलेंडर हेड में ले जाने वाली OHC तथा DOHC आर्किटेक्चर तक - 130 साल का विकास क्रम। यह लेख उस विकास के मील के पत्थरों और हर डिज़ाइन के वास्तविक फायदे-नुकसान के संतुलन को तकनीकी आंकड़ों के साथ प्रस्तुत करता है।

कैम सिलेंडर हेड में क्यों स्थानांतरित किया गया? समस्या की जड़

प्रश्न सरल लगता है: वाल्व दहन कक्ष के जितने पास हों, उतना अच्छा, क्योंकि ज्वाला मोर्चा जितना छोटा रास्ता तय करेगा, दहन उतना ही नियंत्रित होगा। लेकिन कैमशाफ्ट को किसी ड्राइव की आवश्यकता होती है; इसे क्रैंकशाफ्ट से गियर या चेन के जरिए घुमाया जाना आवश्यक है। यदि आप वाल्वों को ब्लॉक में, यानी दहन कक्ष के नीचे रखें, तो कैमशाफ्ट को भी ब्लॉक में रखकर पूरे तंत्र को छोटा और सरल रख सकते हैं। यदि आप वाल्वों को हेड में ऊपर ले जाएँ, तो आपको या तो कैम को ब्लॉक में रखकर लंबी ट्रांसमिशन श्रृंखला बनानी होगी या कैम को भी हेड में ले जाकर ड्राइव सिस्टम को लंबा करना होगा। वाल्व आर्किटेक्चर की लड़ाइयों का पूरा सार इसी सरलता–दक्षता तनाव के विभिन्न समाधानों में निहित है।

पहले खिलाड़ी इस तनाव से बाहर शुरू हुए। 1876 में काम करने वाले पहले Otto इंजन में भाप इंजन परंपरा से लिए गए स्लाइड वाल्व इस्तेमाल होते थे। आंतरिक दहन इंजन के परिपक्व होने के साथ स्लाइड वाल्वों की जगह आज के अर्थों में पॉपेट वाल्व ने ले ली; छोटा घर्षण सतह और उच्च प्रतिक्रिया गति वाला डिज़ाइन। 1885 के Daimler Reitwagen जैसे प्रारंभिक वाहनों में एक दिलचस्प मध्यवर्ती रूप देखा जाता है: इनटेक वाल्व हेड पर थे लेकिन कैम से नहीं, बल्कि इनटेक स्ट्रोक के वैक्यूम से, यानी वायुमंडलीय रूप से खुलते थे; एग्जॉस्ट वाल्व अभी भी ब्लॉक में थे और कैमशाफ्ट से नियंत्रित होते थे।

L-head: सरलता का स्वर्ण युग और उसकी सीमा

Flathead या L-head कही जाने वाली व्यवस्था में दोनों वाल्व दहन कक्ष के नीचे, ब्लॉक के भीतर होते हैं। कैमशाफ्ट ब्लॉक में होता है और वाल्वों को सीधे खोलता है; पुशरॉड, रॉकर आर्म या हेड से गुजरने वाली ड्राइव चेन नहीं होती। यह एक ऐसा इंजन है जिसका उत्पादन सस्ता, रखरखाव आसान और असेंबली लगभग मुफ्त कही जा सकती है। अमेरिका में यह सरलता इतनी आकर्षक पाई गई कि flathead इंजन 1950 के दशक के मध्य और अंत तक अपनी प्रचलन बनाए रखे।

लेकिन सरलता की एक कीमत थी: वाल्व दहन कक्ष के किनारे पर जबरन स्थापित होने के कारण कक्ष एक अजीब उलटे-L आकार में मुड़ जाता है। लौ का मोर्चा लंबा हो जाता है, तापीय दक्षता गिर जाती है, और उच्च आरपीएम पर सांस की तंगी अपरिहार्य हो जाती है। इंजीनियरों की दहन कक्ष को संक्षिप्त और गोलाकार रखने की इच्छा ही वाल्वों को हेड पर ले जाने की पूरी पहल का स्रोत है। इसी पहल ने आखिरकार L-head को इतिहास के मंच से उतार दिया।

बीच का एक संकर डिज़ाइन भी भूलना नहीं चाहिए: F-head या IOE (intake-over-exhaust) व्यवस्था में प्रत्येक सिलेंडर का एक वाल्व ब्लॉक में और दूसरा हेड में होता है। इंटेक वाल्व को ऊपर उठाते हुए यांत्रिक जटिलता के एक हिस्से से बचने वाला व्यावहारिक मध्यम मार्ग होने के नाते यह वर्षों तक उत्पादित हुआ।

OHV: अमेरिका की पसंद Pushrod क्यों बनी?

OHV व्यवस्था एक चतुर समझौता है: वाल्व हेड पर चले जाते हैं, दहन कक्ष ठीक आकार में बनता है; लेकिन कैमशाफ्ट ब्लॉक में ही रहता है और वाल्वों को लिफ्टर, पुशरॉड और रॉकर आर्म की श्रृंखला से नियंत्रित करता है। लड़ाई ठीक इसी श्रृंखला में लड़ी जाती है। श्रृंखला का लाभ अविवादित है:

• बोनेट की ऊंचाई कम होती है, गुरुत्व केंद्र नीचे आता है; V इंजनों में पैकेजिंग का बड़ा फायदा होता है।
• कैमशाफ्ट क्रैंकशाफ्ट के करीब होता है; इसे एक छोटी चेन या सीधे गियर युग्मन से संचालित किया जाता है, OHC जैसी बेल्ट-चेन-टेंशनर जटिलता नहीं होती।
• लubrication सरल हो जाती है: रॉकर आर्म ही काफी हैं, पुशरॉड खोखले हो सकते हैं, और एक छोटा तेल पंप काम निपटा देता है।
• कम आरपीएम पर टॉर्क की भरपूर उपलब्धता और टिकाऊपन; यह पिकअप ट्रकों और muscle car के लिए तैयार सामान है।

कीमत वाल्वट्रेन के चलती-फिरती पुर्जों की संख्या में छिपी है। लिफ्टर, पुशरॉड और रॉकर से बने द्रव्यमान की जड़त्व के कारण उच्च आरपीएम पर वाल्व कैम का अनुसरण नहीं कर पाते और valve float (वाल्व तैरना) हो जाता है। इसके अलावा पुशरॉड का हेड में जगह घेरने के कारण प्रति सिलेंडर वाल्व संख्या व्यावहारिक रूप से दो पर सीमित हो जाती है; चार-वाल्व वाला OHV हेड व्यवहार में असंभव कहे जाने लायक ही कठिन है।

ऐतिहासिक क्रम भी दिलचस्प है: OHV हमारी सोच से भी पुराना विचार है। 1894 का डीजल प्रोटोटाइप, कैमशाफ्ट-पुशरॉड-रॉकर श्रृंखला से नियंत्रित ऊपरी पॉपेट वाल्वों वाला ज्ञात पहला OHV इंजन है। 1896 में William F. Davis को तरल-ठंडा किए गए हेड वाले OHV के लिए अमेरिकी पेटेंट मिला (कोई कार्यशील मॉडल नहीं बना); 1898 में Walter Lorenzo Marr ने OHV इंजन वाला अपना ट्राइक बनाया और 1899-1902 के बीच उस समय की Buick की स्थापना में इस डिज़ाइन को परिपक्व किया। नतीजा, 1904 Buick Model B: दुनिया का पहला सीरियल-प्रोडक्शन OHV इंजन, प्रति सिलेंडर दो वाल्व वाला एक flat-twin। 1905 में 750 यूनिट बिके और उस दिन से आज तक लगभग हर Buick OHV ही रहा। 1911 में Chevrolet भी Buick की तरह लगभग केवल OHV का उत्पादन कर रही थी।

OHV की ऊंचाई दिखाने वाली दो घटनाओं पर ध्यान दिया जाना चाहिए। 1994 Indianapolis 500 में Team Penske ने नियमों के अंतराल से मिले विस्थापन और बूस्ट लाभ से सुसज्जित Mercedes-Benz 500I पुशरॉड इंजन के साथ पोल पोज़िशन से शुरुआत कर OHC वाले प्रतिद्वंद्वियों को बड़े अंतर से हरा दिया। 2008 में चौथी पीढ़ी के Dodge Viper ने VVT का उपयोग करने वाले पहले सीरियल प्रोडक्शन pushrod इंजन के साथ बाज़ार में प्रवेश किया; 21. सदी की शुरुआत में GM और Chrysler ईंधन खपत को तोड़ने के लिए अपने pushrod V8 में सिलेंडर डीएक्टिवेशन जोड़ रहे थे। हर युग में जब pushrod की मृत्यु घोषित हुई, तब वह एक बार फिर सांस लेने लगा।

OHC का उदय: यूरोप से आया चुनौती

OHC का इतिहास OHV जितना ही पुराना है और विरोधाभासी रूप से वही नाम गुज़रता है: Walter Marr की डिज़ाइन विरासत को बनाए रखने वाले 1904 Marr Auto-Car में ज्ञात पहले OHC इंजनों में से एक का उपयोग किया गया था। कैम सिलेंडर हेड में स्थित होता है, वाल्वों के ठीक ऊपर काम करता है; pushrod की श्रृंखला खत्म हो जाती है, वाल्व टाइमिंग कठोर सटीकता प्राप्त करती है। लेकिन दशकों तक यह समाधान केवल उच्च प्रदर्शन वाले वाहनों तक सीमित रहा; सीरियल प्रोडक्शन की अर्थव्यवस्था के लिए यह बहुत महंगा था।

संतुलन 20. सदी के दूसरे भाग में बदल गया। OHC 1950 के दशक से 1990 के दशक तक धीमी लेकिन स्थिर वक्र के साथ फैला और 21. सदी की शुरुआत तक (कुछ उत्तरी अमेरिकी V8 को छोड़कर) अधिकांश ऑटोमोटिव इंजन हेड पर स्थानांतरित कैम के साथ बनाए जाने लगे। दो परतों को अलग करना ज़रूरी है: SOHC व्यवस्था में प्रत्येक सिलेंडर पंक्ति के लिए एक कैम होता है; यह इंटेक और एग्जॉस्ट दोनों को संचालित करता है, ज्यादातर प्रति सिलेंडर दो वाल्वों तक सीमित होता है, सस्ता होता है और इसका रखरखाव आसान है। DOHC इंटेक और एग्जॉस्ट के लिए दो अलग कैम का उपयोग करता है; प्रति सिलेंडर चार वाल्व, बेहतर वायु प्रवाह, उच्च आरपीएम सहनशीलता और VVT समर्थन इस व्यवस्था का प्राकृतिक क्षेत्र है।

एक छोटा फुटनोट आर्किटेक्चरल वर्गीकरण को भी कठिन बनाता है: Ford CVH और Opel CIH जैसे कुछ डिज़ाइनों में कैम हेड में होता है लेकिन वाल्वों के नीचे या बगल में स्थित होता है। यांत्रिक वास्तविकताओं के अनुसार इन्हें मूल रूप से OHV माना जाता है - कैम की भौतिक स्थिति जितनी ही निर्णायक नियंत्रण श्रृंखला भी है।

प्रति सिलेंडर कितने वाल्व? दक्षता की दौड़ का जन्म

कैम हेड में जाने के बाद अगला कदम स्पष्ट था: प्रत्येक सिलेंडर में अधिक वाल्व। मल्टी-वाल्व डिज़ाइनों की जड़ें 1912 की रेस कारों तक जाती हैं, लेकिन अवधारणा का वास्तव में मानक बनना 1980 के दशक के मध्य तक की बात है। Ferrari 308 GTB Quattrovalvole (1982) और BMW M635CSi (1983) ऐसे मॉडल बने जिन्होंने दिखाया कि प्रति सिलेंडर चार वाल्व उच्च प्रदर्शन की दुनिया में लगभग अनिवार्य हो चुका था। चार वाल्व; इसका मतलब था इंटेक और एग्जॉस्ट का अलग-अलग अनुकूलन, स्पार्क प्लग का चैंबर के केंद्र के करीब आना और उच्च आरपीएम पर श्वास क्षमता का बढ़ना।

चार वाल्व भी छत नहीं बना: 1980 के दशक से 2000 के दशक की शुरुआत तक के काल में पांच वाल्व वाले इंजन लोकप्रिय रहे लेकिन हमेशा असाधारण ही बने रहे। जटिलता बढ़ने के साथ लाभ घटा; पांच वाल्व इंजीनियरिंग शो के रूप में ही रहा, उद्योग मानक नहीं बना।

DOHC के प्रतिष्ठित उदाहरणों की सूची व्यापक है: Alfa Romeo Twin Cam (1954), Chrysler Hemi (1964) और Honda का 1972 में पेश किया गया CVCC आर्किटेक्चर इस सूची के क्लासिक हैं। CVCC ने 1975 Civic के साथ सीरीज़ उत्पादन में प्रवेश कर होंडा को पावरट्रेन नवाचार में अग्रणी स्थान दिलाया और यह जापानी इंजीनियरिंग की वाल्व आर्किटेक्चर को वैश्विक चुनौती का प्रतीक बन गया। उसी होंडा ने 1989 में Integra के साथ लॉन्च हुए VTEC की घोषणा की; मार्च 1984 में शुरू हुए कार्यक्रम ने 1987 City में एक शुरुआती पूर्व उदाहरण देखा था। VTEC की DOHC-आधारित वेरिएबल टाइमिंग और वाल्व लिफ्ट सेटिंग्स होंडा के अपने रेस इंजनों की तुलना योग्य स्तर की थीं।

वेरिएबल वाल्व टाइमिंग: 80 साल पुराना विचार

VTEC को क्रांतिकारी माना जाता है, लेकिन वेरिएबल वाल्व टाइमिंग के विचार की उम्र आश्चर्यजनक है। 1903 Cadillac Runabout, वेरिएबल वाल्व मैकेनिज्म के पेटेंट के साथ रिकॉर्ड में दर्ज पहला उदाहरण है; उस दौर के स्रोत लिखते हैं कि कैडिलैक उस समय ड्राइवर-नियंत्रित VVT के उत्पादन में था, जो सोइचिरो होंडा के जन्म से तीन साल पहले की बात है। 1903 से 1979 तक कैडिलैक, पोर्शे और फिएट ने अलग-अलग VVT डिज़ाइन आज़माए लेकिन कोई भी सीरीज़ उत्पादन तक नहीं पहुँचा।

सीमा 1980 Alfa Romeo Spider 2000 के साथ पार हुई: VVT वाला पहला सीरीज़ उत्पादन इंजन। जापान में भी क्रम अधिकांश की सोच से अलग है; जापान में पहला VVT वाला इंजन बनाने वाली कंपनी होंडा नहीं बल्कि निसान है। निसान का NVCS (Nissan Valve-Timing Control System) सिस्टम 1986 तक जाता है और पहले VG30DE 3.0 लीटर 24 वाल्व वाले V6 में इस्तेमाल हुआ। होंडा का VTEC अपनी जड़ें CBR400 मोटरसाइकिल में पेश किए गए REV (Revolution-modulated valve control) सिस्टम से लेता है। यानी VVT किसी एक आविष्कारक या किसी एक ब्रांड की कहानी नहीं; 1903 में पेटेंट हुए एक विचार के धीरे-धीरे परिपक्व होकर 1980 के दशक में उद्योग मानक बनने की कहानी है।

डेस्मोड्रोमिक वाल्व: स्प्रिंग छोड़ने वालों की गतिरोध या खान?

वाल्व आर्किटेक्चर का सबसे मार्जिनल समाधान समस्या को जड़ से अलग तरीके से संबोधित करता है: वाल्व बंद करने के लिए स्प्रिंग का उपयोग न करें। डेस्मोड्रोमिक व्यवस्था में पॉपेट वाल्व, स्प्रिंग के बजाय कैम और रॉकर सिस्टम से सकारात्मक रूप से खुलता और बंद दोनों होता है। सिद्धांत में लाभ स्पष्ट है: वाल्व स्प्रिंग की कमजोरी समाप्त हो जाती है, और स्प्रिंग विफलता के जोखिम के बिना बहुत अधिक वाल्व त्वरण और मंदन की अनुमति दी जाती है। यह उच्च आरपीएम पर शक्ति की बचत भी करता है और जितना अधिकांश लोग सोचते हैं उतनी जटिल व्यवस्था नहीं है।

विरोधी तर्क भी उतना ही मजबूत है: किसी भी इंजन की वास्तविक आरपीएम सीमा को तय करने वाली चीज़ स्प्रिंग जोखिम नहीं, बल्कि वाल्वट्रेन का द्रव्यमान और ज्यामिति है। आधुनिक धातुकर्म और सामग्री विज्ञान ने वाल्व नियंत्रण को पहले की तुलना में कहीं अधिक सहज बना दिया है; जैसे-जैसे स्प्रिंग की यांत्रिक मजबूती बढ़ी, डेस्मो का अपने दम पर ले जाया गया लाभ पिघल गया। डेस्मो को आज एक ऐसे समाधान के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो मुख्य रूप से यांत्रिक सुंदरता और मार्केटिंग मूल्य से टिका हुआ है, जबकि इसका तकनीकी औचित्य लगातार कमजोर होता जा रहा है।

कौन सा वाल्व आर्किटेक्चर बेहतर है? तुलना

तालिका से कोई एक विजेता नहीं निकलता; स्रोतों की साझा निष्कर्ष भी यही है। टॉर्क-केंद्रित, भारी कार्य और V8 अनुप्रयोगों में OHV आज भी एक उचित विकल्प है; संतुलित सामूहिक उत्पादन के लिए SOHC पर्याप्त है; प्रदर्शन और ईंधन दक्षता की बात हो तो DOHC, अधिक उन्नत वाल्व टाइमिंग और वायु प्रवाह के साथ आमतौर पर सबसे कुशल विकल्प होता है। GM के पुशरॉड पर अडिग रहने के पीछे भी इसी तरह की इंजीनियरिंग गणना है: उच्च स्तरीय आउटपुट और इंजन बे में स्थान का लाभ एक ही इंजन में साथ आ सकते हैं।

130 वर्षों का संतुलन: आज हम कहाँ हैं?

वाल्व आर्किटेक्चर युद्धों के समापन अध्याय ने किसी एक विजेता की घोषणा नहीं की। Flathead इतिहास में खो गया; OHV उत्तरी अमेरिकी पिकअप और V8 दुनिया में संकरे लेकिन मजबूत आधार में सिमट गया; DOHC और VVT संयोजन ने प्रदर्शन और दक्षता की व्यावहारिक मानक का दर्जा पा लिया। कैम का सिलेंडर हेड में स्थानांतरण 1904 में एक विचित्र तकनीकी रुचि के रूप में शुरू हुआ, आधी सदी में प्रदर्शन का विशेषाधिकार बन गया और 1990 के दशक में उद्योग का डिफ़ॉल्ट बन गया। वाल्व कहाँ स्थित होगा, इस प्रश्न ने इंजन कितना कुशल, कितना जीवंत और कितना टिकाऊ होगा, इस प्रश्न के साथ ही चला - और 130 वर्षों बाद भी पूरी तरह समाप्त नहीं हुआ है।

स्रोत

• Overhead valve engine - Wikipedia
• Valve Train 101: Understanding OHV and OHC - Enginetech
• OHV vs OHC vs SOHC vs DOHC Engines - EngineDIY
• Multi-valve engines - Autozine
• The VTEC Engine / 1989 - Honda
• The 1960s Trajectory of Challenges - Honda's History
• Desmodromic valve - Wikipedia
• Ducati Desmodromic Valves Explained - Motorcyclist
• All About Ducati's Desmodromic Valve System - Dirt Bike Magazine
• Variable valve timing - Wikipedia
• How VTEC Changed the World - Road & Track
• Technical Focus: Pondering Variable Valve Timing - Snap-on
• Otto engine - Wikipedia
• Flathead engine - Wikipedia
• Five Engines with Five (Or More) Valves Per Cylinder - EngineLabs
• 5 Good Reasons Why Pushrod Engines Still Exist - mechanics.com.au