در مطلب آشنایی با اجزای پیشرانه و نحوه عملکرد آن‌ها با نحوه کار تمامی اجزای پیشرانه از جمله سوپاپ‌ها و میل بادامک آشنا شدیم. همان‌طور که گفته شد میل بادامک‌ها دوران خود را به وسیله تسمه تایم از میل لنگ می‌گیرند و به وسیله بادامک‌ها موجب باز شدن سوپاپ‌ها و ورود مخلوط سوخت و هوا یا خروج محصولات احتراق می‌شود. اما زمان باز و بسته شدن سوپاپ‌ها در سیکل کاری یک پیشرانه 4 زمانه همواره ثابت بوده و این زمان به وسیله دوران بادامک‌هایی که روی میل بادامک قرار گرفته است تعیین می‌شود. این ثبات سبب ایجاد بیش‌ترین بازدهی تنها در یک دور موتور خاص می‌شود. به عنوان مثال زمانی که پیشرانه در دورهای بالا در حال کار است، باز و بسته شدن سوپاپ‌های ورودی و خروجی به گونه‌ای است که در اغلب موارد باعث پر شدن کامل و کافی سیلندر از مخلوط سوخت و هوا نمی‌شود و بنابراین پیشرانه در آن دورها دارای راندمان مد نظر نیست. بنابراین نیاز به وجود سامانه‌ای برای کنترل دقیق باز و بسته شدن سوپاپ‌های در دورهای مختلف احساس می‌شد.

برای این منظور از یک فناوری جدید به نام زمان‌بندی متغیر باز و بسته شدن سوپاپ‌ها (Variable Valve Timing) استفاده می‌شود. این سیستم در شرکت‌های بزرگ خودروسازی دارای اسامی گوناگون و همچنین تفاوت‌هایی در جزئیات عملکردی و اجزای تشکیل دهنده است. سیستم زمان‌بندی متغیر باز و بسته شدن سوپاپ‌ها با اثر گذاری روی یک میل سوپاپ یا هردو میل سوپاپ کنترل زمان باز و بسته شدن و مدت باز یا بسته ماندن سوپاپ‌ها را در دست می‌گیرد. به این ترتیب با تعریف زوایای تایمینگ گوناگون در دورهای آرام و دورهای بالا می‌توان زمان‌بندی باز و بسته شدن سوپاپ‌ها را تنظیم کرد. این فرآیند سبب افزایش بازدهی و همچنین تاثیری مثبت در احتراق کامل‌تر، کاهش آلایندگی‌های خروجی و همچنین کاهش مصرف سوخت می‌شود.

زمان‌بندی متغیر پیوسته و گسسته سوپاپ‌ها
سامانه‌های اولیه زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها دارای دو تعریف مختلف برای زمان‌بندی باز و بسته شدن سوپاپ‌ها بودند که به زمان‌بندی پلکانی و گسسته معروف بودند. به عنوان مثال یک زمان‌بندی خاص برای دورهای کم‌تر از 3500 و زمان‌بندی منحصر به فرد دیگری برای دورهای بالاتر از 3500 دور در دقیقه در نظر گرفته شده بود. اما در سامانه‎‌های پیشرفته‌تر امروزی از تکنولوژی جدیدی به نام زمانبندی متغیر پیوسته سوپاپ‌ها استفاده می‌شود. این سامانه قابلیت تغییر زمان‌بندی سوپاپ‌ها را به طور پیوسته دارا است. به بیان دیگر تعداد بی‌نهایت زمان‌بندی مختلف برای دور موتورهای گوناگون تعریف شده است که هر زمان‌بندی برای دور موتور خاصی بهینه و مناسب است. این سامانه سبب کارکرد موتور در بهینه‌ترین حالت ممکن در هر دور موتور شده و به دنبال آن، افزایش بازدهی، کاهش آلایندگی و کاهش مصرف سوخت کاملا ملموس خواهد بود.

انواع زمان‌بندی سوپاپ‌ها و تاثیر آن‌ها بر راندمان پیشرانه خودرو

1-دیر بستن سوپاپ‌های ورودی
در این نوع زمان‌بندی سوپاپ‌های ورودی کمی طولانی‌تر از یک پیشرانه فاقد این سامانه باز خواهند بود. این افزایش زمان باز ماندن سوپاپ‌های ورودی باعث می‌شود پیستون‌ها در مرحله فشرده‌سازی مخلوط سوخت و هوا، مقداری از هوا را به بیرون سیلندر پمپاژ کرده و باعث برگشت آن به منیفولد ورودی هوا شوند. این بازگشت هوا سبب افزایش فشار در منیفولد ورودی شده که این مساله خود باعث می‌شود که هوای ورودی به پیشرانه در مرحله مکش بعدی فشرده‌تر باشد. این امر توان مورد نیاز برای مکش هوا به داخل سیلندر را تا حدود 40 درصد کاهش می‌دهد و مصرف سوخت را نیز 7 درصد بهبود می‌بخشد. همچنین باعث کاهش تولید گازهای NOx تا24 درصد خواهد شد.

2-زود بستن سوپاپ‌های ورودی
این شیوه زمان‌بندی روشی برای کاهش توان تلف شده در مرحله مکش هوا در دورهای پایین پیشرانه است. در این روش سوپاپ‌های ورودی در نیمه مرحله مکش بسته می‌شوند در حالی که در پیشراه فاقد این سامانه، سوپاپ‌های ووردی تا انتهای مرحله مکش باز خواهند بود. مزیت استفاده از روش زود بسته شدن سوپاپ ورودی این است که زمانی که وتور در حال کارکرد در دورهای پایین است، به هوا و سوخت کمی نسبت به دورهای بالا نیاز دارد بنابراین در این شرایط پیشرانه توان زیادی را برای مکش هوا و سوخت به داخل سیلندر تلف می‌کند اما از آنجایی که پیشراه در حال کارکرد در دورهای پایین است، تنها به مکش مقدار کمی از مخلوط هوا و سوخت نیاز دارد. بنابراین زود بسته شدن سوپاپ‌های ورودی هوا باعث کاهش توان مورد نیاز برای مکش و در نتیجه کاهش مصرف سوخت خواهد شد. اما در مقابل، در نتیجه این فرآیند دمای محفظه انفجار کاهش می‌یابد که خود باعث افزایش تولید هیدروکربن‌ها می‌شود.

3-زود باز کردن سوپاپ‌های ورودی
زود باز کردن سوپاپ‌های ورودی روش دیگری است که تاثیر زیادی در کاهش تولیدات آلاینده‌ها دارد. با زودتر موعد باز شدن سوپاپ‌های ورودی هوا، ممکن است برخی از گازهای در حال انفجار به منیفولد ورودی هوا برگردند و به صورت لحظه‌ای در منیفولد خنک شوند. این گازها در مرحله مکش بعدی وارد سیلندر خواهند شد و منجر به کاهش و کنترل دمای سیلندر خواهند شد.

4-دیر یا زود بستن سوپاپ‌های خروجی

در پیشرانه‌هایی که فاقد این سامانه هستند سوپاپ‌های خروجی در مرحله تخلیه باز شده و گازهای ناشی از احتراق به وسیله پیستون که به طرف بالا در حرکت است به منیفولد خروجی و از آن‌جا به اگزوز تخلیه می‌شوند. مهندسین با دستکاری زمانبندی سوپاپ‌های خروجی می‌تواند مقدار گاز باقی مانده در سیلندر را کنترل کنند. با مقدار کمی بیش‌تر باز نگه داشتن سوپاپ‌های خروجی می‌توان سیلندر را کاملا از گاز خالی کرد و آن را برای پر شدن با مقدار بیش‌تری از هوا و سوخت در مرحله بعدی آماده کرد. با زودتر بستن سوپاپ‌های خروجی نیز مقداری گاز در سیلندر باقی می‌ماند که باعث افزایش بازده و بهبود مصرف سوخت می‌شود.

نحوه عملکرد فنی سامانه زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها

نحوه ملکرد سامانه زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها به این گونه است که انتهای میل بادامک‌ها به یک روتور که دارای چند (معمولا 4) پره است متصل شده و این روتور داخل محفظه‌ای موسوم به روتور بیرونی قرار گرفته است. بنابراین روتور داخلی قابلیت دوران داخل روتور بیرونی را دارا است. روتور بیرونی با زنجیر، دوران خود را از میل لنگ پیشرانه دریافت می‌کند. فضای خابی بین پره‌های روتور داخلی و خارجی توسط روغن پر شده است. فشار این روغن توسط یک مدار کنترل می‌شود. در زمانی که نیاز به تغییر در زمان‌بندی باز و بسته شدن سوپاپ‌ها وجود دارد، با تغییر در فشار روغن موجود در محفظه، موقعیت روتور داخلی (که میل بادامک به آن متصل است) نسبت به روتور داخلی (که با زنجیر یا تسمه به میل لنگ متصل است) تغییر می‌کند. در نتیجه این امر، موقعیت قرارگیری بادامک‌ها نسبت به سوپاپ‌ها عوض شده و به این ترتیب در زمان‌بندی باز و بسته شدن سوپاپ‌ها تغییر ایجاد می‌شود.

 جزئیات عملکرد سامانه زمان‌بندی متغیر باز و بسته شدن سوپاپ‌ها در ویدیو زیر به نمایش داده شده است: