موضوع: چرا چهار سوپاپ بهتر از دو سوپاپ برای هر سیلندر است؟

امروزه، بیشتر پیشرانه‌های احتراقی برخلاف هزینه‌های تولید بیشتر و پیچیدگی‌های مهندسی، به‌ازای هر سیلندر چهار سوپاپ دارد. در این مقاله سعی می‌کنیم دلایل استقبال از این فناوری را روشن کنیم.
پیشرانه‌ها برای تولید قدرت به دریافت هوا نیاز دارد. هرچه میزان هوای ورودی به پیشرانه افزایش یابد، قدرت تولیدی بیشتر می‌شود. در گذشته، به‌ازای هر سیلندر از پیشرانه دو سوپاپ در نظر گرفته می‌شد که یکی وظیفه‌ی ورود سوخت و هوا به محفظه‌ی سیلندر و دیگری وظیفه‌ی خارج‌کردن محصولات حاصل از احتراق را برعهده داشت. با‌توجه‌به اینکه میزان هوای ورودی بیشتر سبب تولید قدرت بیشتر می‌شود، اولین راهکار پیش روی مهندسان افزایش اندازه‌ی سوپاپ‌ها برای تزریق بیشتر مخلوط سوخت و هوا درون محفظه‌ی سیلندر بود؛ اما با گذشت زمان و پیشرفت علم و تکنولوژی مشخص شد که افزایش تعداد سوپاپ‌های کوچک‌تر به‌ازای هر سیلندر در‌مقایسه‌با افزایش اندازه‌ی آن‌ها سبب افزایش قدرت تولیدی می‌شود.

برای روشن‌شدن این موضوع، سوپاپ را به‌شکل صفحه‌ای مدوّر در نظر بگیرید که به انتهای اهرمی متصل شده است. این صفحه‌ی مدوّر در حالت عادی سبب مسدودشدن دهانه‌ی ورود و خروج هوا و سوخت در سیلندر می‌شود. ضخامت این دیسک فرضی به‌اضافه‌ی بخشی از طول اهرم متصل به آن تقریبا برابر ارتفاع محفظه‌ی ورودی به سیلندر است. حال با در‌نظر‌گرفتن این موضوع که افزایش اندازه‌ی سوپاپ یا به‌بیان‌دیگر افزایش ارتفاع و حجم محفظه‌ی ورود و خروج پیشرانه می‌تواند سبب افزایش حجم ورود و خروج مخلوط هوا و سوخت به سیلندر شود، چگونه مهندسان ادعا می‌کنند با افزایش دوبرابری تعداد سوپاپ‌ها با اندازه‌ی نصف حالت پیشین می‌توان نتیجه‌ی بهتری در تولید قدرت پیشرانه گرفت؟

قدرت تولیدی پیشرانه ازطریق سنجش میزان گشتاور تولیدی در هر چرخه‌ی احتراق محاسبه می‌شود؛ بنابراین در حالت ایدئال، با افزایش سرعت تکمیل هر چرخه‌ی احتراق، قدرت تولیدی نیز افزایش می‌یابد؛ اما شرایط کارکرد پیشرانه هرگز ایدئال نیست. در حالت واقعی، با افزایش دور موتور زمان باز و بسته‌شدن سوپاپ‌ها کاهش می‌یابد؛ درنتیجه زمان کافی برای ورود و خروج هوا به میزان کافی وجود ندارد و این عامل سبب کاهش بازده‌ی پیشرانه خواهد شد. در این حالت، استفاده از دو سوپاپ ورودی با اندازه‌ی کوچک‌تر از حالت تک‌سوپاپ ارجحیت می‌یابد. به‌علاوه، با افزایش تعداد سوپاپ‌ها مهندسان فرصت بهتری برای طراحی مسیرهای اختلاط هوا و سوخت می‌یابند. مزیت دیگر کاهش وزن سوپاپ‌ها و مشکلات ناشی از وزن آن‌ها در سرعت‌های سریع کارکرد پیشرانه است. با وجود تمام مزایای ذکرشده، استفاده از سوپاپ‌های بیشتر در هر سیلندر سبب افزایش قطعات و پیچیدگی‌های مهندسی و ماشین‌کاری می‌شود؛ به‌همین‌دلیل، در گذشته تنها در پیشرانه‌های خاص از این فناوری استفاده می‌شد.
ایده‌ی استفاده از سوپاپ‌های بیشتر در هر سیلندر تازه نیست؛ زیرا اولین‌بار این ایده در اوایل قرن بیستم استفاده شد. سپس، هوندا در دهه‌ی ۱۹۷۰ خودرو سیویک را با سه سوپاپ در هر سیلندر عرضه کرد. در پیشرانه‌ی این خودرو، دو سوپاپ وظیفه‌ی تزریق مخلوط سوخت و هوا به سیلندر را برعهده داشت و سوپاپ سوم برای خروج محصولات حاصل از احتراق تعبیه شده بود. در این پیشرانه برای کاهش هزینه‌های تولید، هوندا فقط از یک میل‌سوپاپ برای کنترل باز و بسته شدن سوپاپ‌ها بهره می‌برد. در سال‌های اخیر و با ظهور فناوری پاشش سوخت و تعبیه‌ی انژکتور، نقش تعداد سوپاپ‌ها در بازده پیشرانه کم‌رنگ شده است؛ با‌این‌حال، همچنان نحوه‌ی طراحی فضای ورود مخلوط سوخت و هوا برای اختلاط همگن و مناسب اهمیت بسزایی دارد.

موتورهای HEMI در هر سیلندر دو سوپاپ دارند و موتورهای بسیار قدرتمند و پیشرفته ای هم هستند . در اینکه در حالت کلی ، تنفس بهتر موتور سبب افزایش کارایی موتور میشه هیچ شکی وجود نداره ولی لزوما همیشه فقط تعداد بیشتر سوپاپ یک موتور نسبت به موتور دیگر ، نشانه برتری و قوی تر بودنش نیست . عوامل متعدد دیگری هم دخیل هستند .

تعداد بیشتر سوپاپ در صورت بهبود کارایی تنفس موتور هم بیشتر تاثیرش در دور بالا هست که دبی هوای ورودی به موتور زیاد میشه . تو دور پایین ، اگر تعداد سوپاپ ها رو ده برابر هم بکنید ، تاثیر خاصی روی گشتاور دور پایین موتور نداره . این کار مثل این هست که شما جاده ای رو که ترافیک کمی داره رو عریض تر کنید . چون ترافیک کم هست عریض تر کردن ، هیچ تاثیر خاصی روی حرکت و سرعت خودروها نخواهد گذاشت . ولی اگر ترافیک زیاد باشه ( مثل دبی زیاد هوا در دور بالا) انوقت عریض تر کردن جاده از تشدید ترافیک و ایجاد برخورد و معطلی جلوگیری خواهد کرد .