توقيت الصمامات المتغير

استخدمت أنظمة توقيت الصمامات المتغيرة المبكرة ضبطًا منفصلاً (متدرجًا). على سبيل المثال، كان يتم استخدام توقيت معين عند سرعة دوران أقل من 3500 دورة في الدقيقة، وآخر عند سرعة دوران أعلى من 3500 دورة في الدقيقة.

توفر أنظمة توقيت الصمامات المتغيرة الأكثر تطوراً إمكانية ضبط توقيت الصمامات بشكل مستمر (بلا حدود). وبالتالي، يمكن تحسين التوقيت ليتناسب مع جميع سرعات المحرك وظروف التشغيل. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

أبسط أشكال نظام توقيت الصمامات المتغير هو تغيير توقيت الكامات ، حيث يتم تدوير زاوية طور عمود الكامات للأمام أو للخلف بالنسبة لعمود المرفق. وبالتالي، تفتح الصمامات وتغلق مبكراً أو متأخراً؛ ومع ذلك، لا يمكن تغيير ارتفاع عمود الكامات ومدته باستخدام نظام تغيير توقيت الكامات وحده.

يتطلب تحقيق مدة متغيرة في نظام VVT نظامًا معقدًا، مثل ملفات تعريف الكامات المتعددة أو الكامات المتذبذبة.

يتمثل أحد أشكال توقيت الصمامات المتغير المستمر في إبقاء صمام السحب مفتوحًا لفترة أطول قليلًا من المحرك التقليدي، محاكاةً لدورة أتكينسون . ينتج عن ذلك قيام المكبس بدفع الهواء خارج الأسطوانة وإعادته إلى مشعب السحب أثناء شوط الضغط. يملأ الهواء المطرود المشعب بضغط أعلى، وفي أشواط السحب اللاحقة، يكون الهواء الداخل بضغط أعلى. وقد ثبت أن إغلاق صمام السحب المتأخر يقلل من فقدان الطاقة الناتج عن الضخ بنسبة 40% أثناء ظروف الحمل الجزئي، ويقلل من انبعاثات أكاسيد النيتروجين ( NOx ) بنسبة 24%. لم يُظهر عزم دوران المحرك الأقصى سوى انخفاض بنسبة 1%، بينما ظلت انبعاثات الهيدروكربونات دون تغيير. ^{[ 3 ]}

هناك طريقة أخرى لتقليل فقد الطاقة الناتج عن الضخ في ظروف انخفاض سرعة المحرك وارتفاع مستوى الفراغ، وهي إغلاق صمام السحب مبكرًا عن المعتاد. يتم ذلك بإغلاق صمام السحب في منتصف شوط السحب. تكون متطلبات الهواء/الوقود منخفضة جدًا في ظروف الأحمال المنخفضة، ويكون الشغل اللازم لملء الأسطوانة مرتفعًا نسبيًا، لذا فإن إغلاق صمام السحب مبكرًا يقلل بشكل كبير من فقد الطاقة الناتج عن الضخ. ^{[ 3 ]} أظهرت الدراسات أن إغلاق صمام السحب مبكرًا يقلل فقد الطاقة الناتج عن الضخ بنسبة 40%، ويزيد من كفاءة استهلاك الوقود بنسبة 7%. كما أنه يقلل انبعاثات أكاسيد النيتروجين بنسبة 24% في ظروف الأحمال الجزئية. من سلبيات إغلاق صمام السحب مبكرًا أنه يخفض درجة حرارة غرفة الاحتراق بشكل ملحوظ، مما قد يزيد من انبعاثات الهيدروكربونات. ^{[ 3 ]} هذه طريقة أخرى لمحاكاة دورة أتكينسون، وتُستخدم عادةً في محركات دورة ميلر ذات الشحن التوربيني .

يُعدّ فتح صمام السحب مبكرًا أحد الأساليب الأخرى التي تتمتع بإمكانات كبيرة لتقليل الانبعاثات. في المحركات التقليدية، تُستخدم عملية تُسمى تداخل الصمامات للمساعدة في التحكم بدرجة حرارة الأسطوانة. عند فتح صمام السحب مبكرًا، يتدفق جزء من غاز العادم الخامل/المحترق عكسيًا خارج الأسطوانة عبر صمام السحب، حيث يبرد مؤقتًا في مشعب السحب. ثم يملأ هذا الغاز الخامل الأسطوانة في شوط السحب اللاحق، مما يُساعد في التحكم بدرجة حرارة الأسطوانة وانبعاثات أكاسيد النيتروجين. كما يُحسّن ذلك الكفاءة الحجمية، نظرًا لانخفاض كمية غاز العادم المُطرد في شوط العادم. ^{[ 3 ]}

يمكن التحكم في توقيت إغلاق صمام العادم، سواءً كان مبكرًا أو متأخرًا، لتقليل الانبعاثات. في الوضع التقليدي، يُفتح صمام العادم، ويدفع المكبس غاز العادم خارج الأسطوانة إلى مشعب العادم أثناء صعوده. ومن خلال التحكم في توقيت صمام العادم، يستطيع المهندسون تحديد كمية غاز العادم المتبقية في الأسطوانة. فعند إبقاء صمام العادم مفتوحًا لفترة أطول قليلًا، تُفرغ الأسطوانة بشكل أكبر وتصبح جاهزة لاستقبال شحنة أكبر من الهواء والوقود في شوط السحب. أما عند إغلاق الصمام مبكرًا قليلًا، تبقى كمية أكبر من غاز العادم في الأسطوانة، مما يزيد من كفاءة استهلاك الوقود. في هذا الوضع، يعمل الصمام بشكل مشابه لصمام إعادة تدوير غاز العادم (EGR)، وفي بعض المحركات يحل محل صمام EGR تمامًا. وهذا يسمح بتشغيل أكثر كفاءة في جميع الظروف.

يعود تاريخ البحث عن طريقة لتغيير مدة فتح الصمامات إلى عصر المحركات البخارية ، حيث كانت مدة فتح الصمامات تُعرف باسم " قطع البخار ". وقد دعمت آلية صمامات ستيفنسون ، المستخدمة في قاطرات البخار المبكرة، خاصية القطع المتغير ، أي تغيير الوقت الذي يتم فيه قطع دخول البخار إلى الأسطوانات أثناء شوط القدرة.

ربطت الأساليب المبكرة لتقنية القطع المتغير بين تغيرات قطع السحب وتغيرات قطع العادم. تم فصل قطع السحب والعادم مع تطوير صمام كورليس . وقد شاع استخدام هذه الصمامات في المحركات الثابتة ذات السرعة الثابتة والحمل المتغير، حيث يتم التحكم ميكانيكيًا في قطع السحب، وبالتالي عزم الدوران، بواسطة منظم طرد مركزي وصمامات فصل .

مع ظهور صمامات البوبيت ، تم استخدام آلية صمامات مبسطة تعتمد على عمود الكامات . في هذه المحركات، أمكن التحكم في قطع الغاز باستخدام كاميرات ذات شكل متغير يتم تحريكها على طول عمود الكامات بواسطة منظم السرعة. ^{[ 4 ]} أنتجت عربات سيربوليه البخارية بخارًا عالي الضغط وشديد السخونة، مما استلزم استخدام صمامات البوبيت، والتي استخدمت آلية عمود كامات منزلقة حاصلة على براءة اختراع، لم تقتصر وظيفتها على تغيير قطع صمام السحب فحسب، بل سمحت أيضًا بعكس اتجاه دوران المحرك. ^{[ 5 ]}

استخدم محرك كليرجيه V-8 تجريبي مبكر بقوة 200  حصان من عشرينيات القرن العشرين عمود كامات منزلقًا لتغيير توقيت الصمامات . تضمنت بعض إصدارات محرك بريستول جوبيتر الشعاعي من أوائل عشرينيات القرن العشرين آلية توقيت صمامات متغيرة، وذلك أساسًا لتغيير توقيت صمام السحب بما يتناسب مع نسب الانضغاط العالية. ^{[ 6 ]} كان محرك لايكومينغ R-7755 مزودًا بنظام توقيت صمامات متغير يتكون من كامتين يمكن للطيار اختيار إحداهما للإقلاع والمطاردة والهروب، والأخرى للتحليق الاقتصادي.

برزت أهمية إمكانية تغيير مدة فتح الصمامات لتتوافق مع سرعة دوران المحرك لأول مرة في عشرينيات القرن العشرين، عندما بدأت حدود سرعة الدوران القصوى المسموح بها في الارتفاع عمومًا. وحتى ذلك الوقت تقريبًا، كانت سرعة دوران المحرك في وضع الخمول وسرعة دورانه أثناء التشغيل متقاربة جدًا، مما يعني قلة الحاجة إلى تغيير مدة فتح الصمامات. استُخدم توقيت الصمامات المتغير لأول مرة في سيارة كاديلاك رانابوت وتونيو موديل 1903، من تصميم ألانسن بارتريدج براش، بموجب براءة الاختراع رقم 767,794 بعنوان "آلية صمام السحب لمحركات الاحتراق الداخلي"، والتي سُجلت في 3 أغسطس 1903، ومُنحت في 16 أغسطس 1904. ^{[ 7 ]} وقبل عام 1919، صمم لورانس بوميروي، كبير مصممي فوكسهول،  محركًا بسعة 4.4 لتر كبديل مُقترح للطراز 30-98 الحالي، والذي كان سيُطلق عليه اسم H-Type. ^{[ ٨ ]} في هذا المحرك، كان من المفترض أن يتحرك عمود الكامات العلوي المفرد طوليًا للسماح بتعشيق فصوص عمود الكامات المختلفة. وفي عشرينيات القرن العشرين، بدأت تظهر أولى براءات الاختراع لفتح الصمامات بمدة متغيرة - على سبيل المثال، براءة الاختراع الأمريكية رقم ١٥٢٧٤٥٦ .

في عام ١٩٥٨، تقدمت شركة بورش بطلب للحصول على براءة اختراع ألمانية، كما تقدمت بطلب للحصول على براءة اختراع بريطانية أخرى ونُشرت تحت الرقم GB861369 في عام ١٩٥٩. استخدمت براءة اختراع بورش كامة متذبذبة لزيادة رفع الصمام ومدته. تعمل الكامة الديسمودرومية بواسطة قضيب دفع/سحب من عمود لا مركزي أو لوحة مائلة . من غير المعروف ما إذا كان قد تم تصنيع أي نموذج أولي عامل.

كانت شركة فيات أول شركة مصنعة للسيارات تحصل على براءة اختراع لنظام توقيت الصمامات المتغير الوظيفي للسيارات، والذي يتضمن رفعًا متغيرًا. طوّر جيوفاني تورازا هذا النظام في أواخر الستينيات، حيث استخدم الضغط الهيدروليكي لتغيير نقطة ارتكاز أتباع الكامة (براءة الاختراع الأمريكية رقم 3,641,988). ^{[ 9 ]} يتغير الضغط الهيدروليكي تبعًا لسرعة المحرك وضغط السحب. وكان التغير النموذجي في الفتح 37%.

كانت ألفا روميو أول شركة مصنعة تستخدم نظام توقيت الصمامات المتغير في سيارات الإنتاج (براءة اختراع أمريكية رقم 4,231,330). ^{[ 10 ] [ 11 ]} زُوّدت طرازات ألفا روميو سبايدر 2000 ذات نظام حقن الوقود لعام 1980 بنظام توقيت الصمامات المتغير الميكانيكي. وقد صمم هذا النظام المهندس جيامباولو غارسيا في سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 12 ]} استخدمت جميع طرازات ألفا روميو سبايدر بدءًا من عام 1983 نظام توقيت الصمامات المتغير الإلكتروني. ^{[ 13 ]}

في عام ١٩٨٩، أطلقت هوندا نظام VTEC . ^{[ ١٤ ]} بينما كان نظام NVCS السابق من نيسان يُعدّل توقيت عمود الكامات، ينتقل نظام VTEC إلى نمط كامة منفصل عند سرعات المحرك العالية لتحسين ذروة القدرة. كان أول محرك VTEC أنتجته هوندا هو B16A، والذي تم تركيبه في سيارات إنتيجرا ، و CRX ، وسيفيك هاتشباك المتوفرة في اليابان وأوروبا.

في عام 1992، قدمت بورش لأول مرة نظام VarioCam ، الذي كان أول نظام يوفر ضبطًا مستمرًا (بينما كانت جميع الأنظمة السابقة تستخدم ضبطًا منفصلاً). تم إطلاق النظام في سيارة بورش 968 وكان يعمل على صمامات السحب فقط.

بدأ استخدام تقنية توقيت الصمامات المتغير في محركات السفن. يستخدم محرك فولفو بنتا البحري بتقنية توقيت الصمامات المتغير مُغيّر توقيت عمود الكامات، الذي يتحكم فيه نظام التحكم الإلكتروني في المحرك، والذي يُغيّر باستمرار تقدم أو تأخير توقيت عمود الكامات. ^{[ 16 ]}

في عام 2007، طورت شركة كاتربيلر محركي C13 وC15 Acert اللذين استخدما تقنية VVT لتقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين، وذلك لتجنب استخدام نظام إعادة تدوير غاز العادم (EGR) بعد متطلبات وكالة حماية البيئة الأمريكية لعام 2002. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

في عام 2010، طورت شركة ميتسوبيشي محركها 4N13 سعة 1.8 لتر DOHC رباعي الأسطوانات، وهو أول محرك ديزل  في العالم لسيارات الركاب مزود بنظام توقيت الصمامات المتغير، وبدأت إنتاجه بكميات كبيرة . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

تعتمد هذه الطريقة على استخدام نمطين مختلفين لعمود الكامات، مع وجود مشغل للتبديل بينهما (عادةً عند سرعة محددة للمحرك). كما يتيح تبديل عمود الكامات إمكانية تغيير ارتفاع الصمام ومدة فتحه، إلا أن التعديل يكون متقطعًا وليس مستمرًا.

كان أول استخدام إنتاجي لهذا النظام هو نظام VTEC من هوندا . يقوم نظام VTEC بتغيير الضغط الهيدروليكي لتشغيل دبوس يقوم بقفل ذراع التأرجح عالي الرفع وعالي المدة بذراع تأرجح مجاور منخفض الرفع وقليل المدة.

تعتمد العديد من أنظمة توقيت الصمامات المتغيرة (VVT) في الإنتاج على نظام تغيير طور عمود الكامات ، باستخدام جهاز يُعرف باسم المُغيّر، والذي يُغيّر طور عمود الكامات والصمامات (يشير الطور إلى التوقيت النسبي بين عمودَي الكامات للسحب والعادم، ويُعبّر عنه بقياس زاوي). يسمح هذا النظام بضبط توقيت الكامات بشكل مستمر (على الرغم من أن العديد من الأنظمة القديمة كانت تستخدم ضبطًا منفصلاً فقط)، إلا أنه لا يُمكن ضبط مدة فتح الصمامات أو ارتفاعها.

تعتمد هذه التصاميم على حركة اهتزازية أو متأرجحة في جزء من حدبة الكامة، والذي يؤثر بدوره على تابع. يقوم هذا التابع بفتح وإغلاق الصمام. تستخدم بعض أنظمة الكامات الاهتزازية حدبة كامة تقليدية، بينما تستخدم أنظمة أخرى حدبة كامة لا مركزية وقضيب توصيل. يشبه هذا المبدأ مبدأ عمل المحركات البخارية، حيث يتم تنظيم كمية البخار الداخلة إلى الأسطوانة بواسطة نقطة "قطع" البخار.

تتمثل ميزة هذا التصميم في إمكانية ضبط الرفع والمدة بشكل مستمر. مع ذلك، في هذه الأنظمة، يتناسب الرفع طرديًا مع المدة، لذا لا يمكن ضبط الرفع والمدة بشكل منفصل.

تعمل أنظمة الكامات المتذبذبة في سيارات BMW ( valvetronic ) و ^{[ 21 ]} Nissan ( VVEL ) وToyota ( valvematic ) على صمامات السحب فقط.

تعمل أنظمة الدفع الكامي اللامركزية من خلال آلية قرص لامركزية تعمل على إبطاء وتسريع السرعة الزاوية لفص الكامة أثناء دورانه. إن ضبط الفص ليبطئ خلال فترة فتحه يعادل إطالة مدته.

تتمثل ميزة هذا النظام في إمكانية تغيير مدة التشغيل بشكل مستقل عن الرفع ^{[ 22 ]} (مع ذلك، لا يُغير هذا النظام الرفع). أما عيبه فيكمن في الحاجة إلى محركين لا مركزيين ووحدتي تحكم لكل أسطوانة (واحدة لصمامات السحب والأخرى لصمامات العادم)، مما يزيد من التعقيد والتكلفة.

شركة إم جي روفر هي الشركة المصنعة الوحيدة التي أصدرت محركات تستخدم هذا النظام.

يتكون هذا النظام من حدبة كامة متغيرة على طولها ^{[ 23 ]} (مشابهة لشكل المخروط). يتميز أحد طرفي حدبة الكامة بملف تعريف قصير المدة/رفع منخفض، بينما يتميز الطرف الآخر بملف تعريف أطول مدة/رفع أكبر. يوفر الجزء الواقع بينهما انتقالًا سلسًا بين هذين الملفين. من خلال تغيير مساحة حدبة الكامة الملامسة للتابع، يمكن تغيير الرفع والمدة بشكل مستمر. ويتحقق ذلك بتحريك عمود الكامات محوريًا (انزلاقه عبر المحرك) بحيث يتعرض تابع ثابت لملف تعريف متغير للحدبة لإنتاج كميات مختلفة من الرفع والمدة. أما عيب هذا الترتيب فهو ضرورة تصميم ملفات تعريف الكامة والتابع بعناية لتقليل إجهاد التلامس (نتيجة لملف التعريف المتغير).

ترتبط فيراري عادةً بهذا النظام، ^{[ 24 ] [ 25 ]} ومع ذلك فمن غير المعروف ما إذا كانت أي من نماذج الإنتاج حتى الآن قد استخدمت هذا النظام.

من غير المعروف أن هذا النظام يستخدم في أي محركات إنتاجية.

يتكون هذا النظام من عمودَي كامة متوازيين (متقاربين)، مع تابع محوري يمتد على كلا العمودين ويتأثر بفصين في آن واحد. يحتوي كل عمود كامة على آلية ضبط طور تسمح بتعديل موضعه الزاوي بالنسبة لعمود المرفق في المحرك. يتحكم أحد الفصين في فتح الصمام، بينما يتحكم الآخر في إغلاقه، وبالتالي يتم التحكم في مدة فتح وإغلاق الصمام من خلال التباعد بين هاتين العمليتين.

تشمل عيوب هذا التصميم ما يلي:

• عند ضبط الصمام لفترات طويلة، قد يبدأ أحد فصوصه في تقليل رفعه بينما يستمر الآخر في الرفع. يؤدي هذا إلى تقليل الرفع الكلي، وربما يتسبب في مشاكل ديناميكية. تدّعي إحدى الشركات أنها حلت مشكلة عدم انتظام معدل فتح الصمام إلى حد ما، مما يسمح بفترات طويلة عند الرفع الكامل. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}
• حجم النظام، بسبب الأعمدة المتوازية، والمتابعات الأكبر حجماً، وما إلى ذلك.

يعتمد مبدأ التشغيل على أن ذراعًا واحدًا يمتد على زوج من الفصوص المتقاربة. وحتى الحد الزاوي لنصف قطر مقدمة الفص، يتأثر الذراع بالسطح المشترك للفصين كسطح متصل وأملس. عندما يكون الفصان متوازيين تمامًا، تكون مدة الفتح في أدنى حد (وتساوي مدة فتح كل فص على حدة)، وعندما يكونان في أقصى درجات عدم التوازي، تكون مدة الفتح في أقصى حد. يتمثل القيد الأساسي لهذا النظام في أنه لا يمكن أن تتجاوز مدة الفتح تغير نصف القطر الحقيقي لمقدمة الفص (بالدرجات الكامة أو ضعف هذه القيمة بالدرجات المرفقية). عمليًا، يبلغ الحد الأقصى لتغير مدة الفتح لهذا النوع من الكامات المتغيرة حوالي أربعين درجة مرفقية.

هذا هو المبدأ الكامن وراء ما يبدو أنه أول اقتراح لعمود كامة متغير يظهر في ملفات براءات الاختراع التابعة لمكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي عام 1925 (1527456). ويُعدّ "عمود كامة كليمسون" من هذا النوع. ^{[ 29 ]}

لا يُعرف استخدام النظام الموصوف أعلاه في أي محركات إنتاجية، ولكن طورت شركة ميكاداين نسخة مبسطة منه لمحرك فايبر V10 لعام 2008. يحتوي هذا المحرك ذو قضبان الدفع على صمامين لكل أسطوانة وعمود كامة واحد. يتم ضبط توقيت صمامات العادم بما يصل إلى 36 درجة بالنسبة لصمامات السحب بواسطة نظام كامة داخل كامة (دون تغيير مدة فتح صمام العادم). ^{[ 30 ]}

يُعرف هذا النظام أيضاً باسم "الملف الجانبي المزدوج المحوري المدمج ذو الحركة الحلزونية"، ولا يُعرف استخدامه في أي محركات إنتاجية. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

يعتمد هذا النوع على مبدأ مشابه للنوع السابق، ويمكنه استخدام نفس شكل فص الصمام الأساسي. إلا أنه بدلاً من الدوران في مستوى واحد، يكون التعديل محوريًا ودورانيًا، مما يضفي على حركته طابعًا حلزونيًا أو ثلاثي الأبعاد. هذه الحركة تتجاوز نطاق مدة الفتح المحدود في النوع السابق. نظريًا، نطاق مدة الفتح غير محدود، ولكنه عادةً ما يكون في حدود مئة درجة من دوران عمود المرفق، وهو ما يكفي لتغطية معظم الحالات.

يقال إن إنتاج الكامة صعب ومكلف، ويتطلب تشغيلاً حلزونياً دقيقاً للغاية وتجميعاً دقيقاً.

تتميز تصميمات المحركات التي لا تعتمد على عمود الكامات لتشغيل الصمامات بمرونة أكبر في تحقيق توقيت الصمامات المتغير ورفعها المتغير . والسيارة الوحيدة التي تستخدم هذا التصميم حتى الآن هي كوينجسيج جيميرا .

يستخدم هذا النظام زيت تشحيم المحرك للتحكم في إغلاق صمام السحب. تتضمن آلية فتح صمام السحب رافعًا ومكبسًا داخل حجرة. يوجد صمام لولبي يتحكم فيه نظام التحكم في المحرك، حيث يتم تنشيطه وتزويد الزيت عبر صمام عدم رجوع أثناء رفع الكامة، فيمتلئ الزيت في الحجرة ويُغلق مسار عودة الزيت إلى حوض الزيت بواسطة رافع الصمام. أثناء حركة الكامة للأسفل، وفي لحظة معينة، يُفتح مسار العودة ويُحرر ضغط الزيت إلى حوض الزيت.