موتورهای دو زمانه (2-Stroke) برای دستیابی به عملکرد بهینه در دور موتورهای مختلف (پایین، متوسط و بالا) با چالش بزرگی روبرو هستند. طراحی پورت اگزوز که برای دور بالا ایده‌آل باشد، منجر به افت شدید گشتاور در دور پایین می‌شود و بالعکس. سوپاپ‌های اگزوز فعال (Active Exhaust Valves) و پورت‌های متغیر دقیقاً برای حل این مشکل طراحی شده‌اند. این فناوری با تنظیم زمان‌بندی خروج گازها به صورت دینامیک، منحنی گشتاور را به طور چشمگیری بهبود بخشیده و آلایندگی و سروصدای موتور را کاهش می‌دهد.
۱. مکانیسم عملکرد پورت‌های ثابت و ضرورت تغییر
در موتور دو زمانه، پورت اگزوز (دهانه خروج گازهای سوخته) توسط لبه بالایی پیستون باز و بسته می‌شود.
الف) چالش پورت ثابت
- زمان‌بندی ثابت: در موتورهای سنتی، ارتفاع و عرض پورت اگزوز ثابت است.
- عملکرد دور پایین ضعیف: اگر پورت اگزوز برای عملکرد در دور بالا (بیشترین قدرت) طراحی شده باشد (یعنی پورت ارتفاع زیادی داشته باشد و زود باز شود)، در دور پایین بخش زیادی از مخلوط سوخت/هوا قبل از فشرده‌سازی کافی از سیلندر خارج می‌شود. این امر منجر به کاهش گشتاور، مصرف سوخت بالا و آلودگی شدید می‌شود.
- عملکرد دور بالا ایده‌آل: پورت بلند برای دور بالا مناسب است، زیرا زمان بیشتری برای خروج سریع گازهای سوخته و ورود مخلوط تازه (Scavenging) فراهم می‌کند.
ب) هدف سوپاپ‌های فعال
هدف اصلی سوپاپ‌های اگزوز فعال، تغییر مؤثر زمان باز بودن پورت اگزوز است. این سوپاپ‌ها ارتفاع پورت را در دور پایین کوتاه می‌کنند تا سوخت از دست نرود و در دور بالا ارتفاع پورت را افزایش می‌دهند تا خروج گاز سریع‌تر انجام شود.
۲. تکنولوژی‌های سوپاپ اگزوز و پورت متغیر
دو نوع اصلی از سیستم‌های فعال برای کنترل زمان‌بندی اگزوز وجود دارد:
الف) سوپاپ‌های چرخشی یا غلتکی (Rotary/Roller Valves)
- مکانیزم: از یک تیغه یا غلتک استفاده می‌شود که در بالای پورت اگزوز نصب شده است. این تیغه می‌تواند تا حدی وارد مجرای اگزوز شود.
- نحوه کارکرد:
- دور پایین: تیغه، بخش فوقانی پورت اگزوز را مسدود کرده و ارتفاع مؤثر پورت را کاهش می‌دهد. این باعث می‌شود پیستون مدت طولانی‌تری سوخت/هوای تازه را در سیلندر نگه دارد و گشتاور افزایش یابد.
- دور بالا: تیغه به طور کامل از مسیر خارج شده و به گازها اجازه می‌دهد سریعاً سیلندر را ترک کنند تا به بالاترین قدرت دست یابد.
- سیستم کنترل: حرکت تیغه توسط یک موتور الکترونیکی (ECU کنترلی) که داده‌ها را از سنسور دور موتور (RPM) دریافت می‌کند، تنظیم می‌شود.
ب) پورت‌های متغیر دو تکه یا بوبین (Split/Bobbin Type)
- مکانیزم: دیواره پورت اگزوز به دو یا چند تکه تقسیم شده است که می‌توانند به صورت مکانیکی یا الکترونیکی حرکت کنند.
- نحوه کارکرد: در این سیستم‌ها، معمولاً یک یا دو لبه از پورت در دور پایین بسته می‌شوند و سپس در دور بالا به صورت کامل باز می‌گردند تا سطح مقطع خروجی افزایش یابد. این روش به ویژه در موتورهای با ظرفیت بالا برای بهبود جریان گاز استفاده می‌شود.
۳. مزایای عملکردی سیستم‌های فعال
استفاده از Active Exhaust Valves منجر به بهبود چشمگیر پارامترهای موتور می‌شود:
- بهینه‌سازی منحنی گشتاور: با تغییر زمان‌بندی، موتور می‌تواند در دور پایین گشتاور بسیار بیشتری تولید کند (عملکرد خطی‌تر). این امر رانندگی را در سرعت‌های پایین و شروع حرکت بسیار آسان‌تر می‌کند و نیاز به دور بالای دائمی را کاهش می‌دهد.
- کاهش آلودگی و مصرف سوخت: نگهداری سوخت/هوا در سیلندر در دور پایین، اتلاف سوخت نسوخته (HC) را به حداقل می‌رساند. این امر هم راندمان مصرف سوخت را افزایش می‌دهد و هم انطباق با استانداردهای سخت‌گیرانه زیست‌محیطی را ممکن می‌سازد.
کاهش سروصدای موتور: سوپاپ‌های اگزوز با تغییر جریان گاز و همچنین تأثیرگذاری بر فرکانس خروج گازها، به طور مؤثری سطح نویز موتور (به ویژه در دور پایین) را کاهش می‌دهند و موتور را برای محیط‌های شهری یا حساس‌تر مناسب‌تر می‌کنند.
۴. چالش‌های فنی و نگهداری
اگرچه سیستم‌های Active Exhaust مزایای بزرگی دارند، اما پیچیدگی و نگهداری آن‌ها افزایش می‌یابد:
- رسوب کربن: به دلیل دمای بالای کار و وجود روغن در گازهای اگزوز، تیغه‌ها و مکانیسم فعال‌سازی به شدت مستعد تجمع رسوبات کربنی هستند. این رسوبات می‌توانند باعث گیر کردن یا عملکرد نادرست سوپاپ‌ها شوند.
- پیچیدگی ECU: این سیستم‌ها نیاز به یک واحد کنترل الکترونیکی دقیق دارند تا زمان‌بندی را بر اساس داده‌های دور موتور، موقعیت دریچه گاز و بار موتور تنظیم کند. خرابی سنسورها یا عملگرها می‌تواند عملکرد موتور را مختل کند.
- نیاز به نگهداری منظم: این سوپاپ‌ها و پورت‌ها به دلیل قرارگیری در مسیر اگزوز، نیاز به بازرسی و تمیزکاری دوره‌ای دارند تا عملکرد بهینه آن‌ها حفظ شود.
به طور کلی، سیستم‌های سوپاپ اگزوز فعال، موتورهای دو زمانه را از یک موتور با عملکرد محدود به یک واحد قدرتمند و انعطاف‌پذیر با آلایندگی و مصرف سوخت به مراتب بهتر تبدیل کرده‌اند.
