A Váltakozó Szelepvezérlés Hogyan Szabályozza a Motor Légzését?

A változó szelepvezérlés (VVT) a szívó- és kipufogószelepek nyitási és zárási időpontjának folyamatos újraállítása a motorfordulatszám és a terhelés szerint. Mivel egyetlen rögzített vezérlés nem lehet hatékony a teljes fordulatszámtartományban, a VVT egyszerre javítja a teljesítményt, a fogyasztást és a károsanyag-kibocsátást: alacsony fordulatszámon megőrzi a nyomatékot, magas fordulatszámon pedig a teljesítményt.

Miért nem elegendő egyetlen vezérlés?

Egy dugattyús motorban a szelepeket a vezérműtengely nyitja. A vezérműtengelyt szíj, lánc vagy fogaskerék hajtja a főtengelyről, és a profil minden egyes bükkönye határozza meg, hogy a szelep pontosan mikor, mennyi ideig és mennyit emelkedik. A probléma az, hogy ez a profil egy rögzített fém darab, a motor igénye viszont nem állandó.

Magas fordulatszámon a motor nagyon nagy mennyiségű levegőt igényel. Ha a szívószelep bezárul, mielőtt a henger megfelelően megtelne, teljesítményveszteség keletkezik. Fordítva, egy hosszú nyitvatartási idővel rendelkező profil, mint a versenybeltengely, alacsony fordulatszágon bosszúság: ha a szívószelep akkor nyílik, amikor a kipufogószelep még nyitva van (ezt az állapotot átfedésnek, azaz overlapnek nevezik), a kipufogó magas nyomása visszanyomhatja a friss szívókeveréket, és beszennyezheti a szívócsövet a kipufogógázzal. David Vizard mérnök megfogalmazásában ez azt jelenti, hogy mindkét szelep nyitva van abban az ablakban, amikor az üzemanyag a kipufogóval távozik.

A nagyságrend megértéséhez egy szám is elegendő: 3000 fordulat/percnél a vezérműtengely másodpercenként 25-ször fordul meg. Ahhoz, hogy a szelepesemények hasznosak legyenek, ilyen gyors ciklusban a megfelelő pillanatban kell bekövetkezniük. Éppen ez a VVT feladata: a motorvezérlő egység a vezérműtengely időzítését a főtengelyhez képest függetlenül eltolva minden körülmények között újraállítja az átfedési időt.

Hogyan hat a változó szelepvezérlés a teljesítményre, a nyomatékra és a fogyasztásra?

Az időzítés-eltolás iránya azt határozza meg, mit szeretne elérni. Ha a vezérműtengelyt előre állítják, a szelepek korán nyílnak és zárnak; ez növeli az alacsony fordulatszámú nyomatékot és a fogyasztási hatékonyságot - a magas fordulatszámú teljesítmény rovására. A hátrébb állítás pedig magas fordulatszámon meghosszabbítja a teljesítménygörbét. A modern rendszer a fordulatszám szerint folyamatosan egyensúlyoz e két szélsőség között.

Az eredmény mérhető: VVT-vel a nyomaték- és teljesítménygörbék szélein jellemzően 5-10%-os kimeneti javulás figyelhető meg, és sok motornál az alacsony fordulatszámú nyomaték 5-15%-kal nőhet. Ez több mint elméleti felső görbe: azt jelenti, hogy a mindennapi használatban a motor korábban kapcsol fel, és kevesebb gázadásra van szükség.

A fogyasztás oldali nyereség

Az igazi csendes győzelem részterhelésen történik - vagyis abban a tartományban, ahol az autó az idejének nagy részét tölti. A szívószelep késői zárása (késői IVC) akár 40%-kal csökkenti a szivattyúveszteségeket, 24%-kal csökkenti a NOx-kibocsátást, és csupán 1%-os kompromisszumot jelent a csúcstartóknycsben. A szívószelep korai zárása szintén 40%-kal csökkenti a szivattyúveszteségeket, 7%-kal javítja a fogyasztást; azonban a égéstér hőmérsékletének érezhető csökkentésével növelheti a szénhidrogén-kibocsátást. Ez a korai zárási stratégia a feltöltött Miller-ciklusú motorok standard eszköze. Egy portbefecskendezéses motor elméletileg optimális vezérlési stratégiája 8% feletti fogyasztásjavulást jósol; a részterheléses feltételekre összpontosító tanulmányokban 5%-os javulásról számoltak be.

Technológiai fokozatok: a vezérműtengely-fázolástól a változó emelésig

A "VVT" nem egyetlen technológia, hanem egy létra, amely különböző vezérlési szintekig ér. A legalsó fokozat a vezérműtengely-fázolás: a vezérműtengelyt a főtengelyhez képest előre vagy hátrafordítják; a szelepek korábban vagy később nyílnak, de az emelés és a nyitvatartási idő változatlan marad. A korai rendszerek lépcsőzetesek voltak - például eltérő vezérlés 3500 fordulat alatt és felett. Az első folyamatos (végtelenül állítható) rendszer az 1992-ben bemutatott Porsche 968-ban lévő VarioCam volt; az is csak a szívószelepeknél működött.

A második fokozat a két vezérműtengely-profil közötti átmenet. Az aktuátor általában egy meghatározott fordulatszámon ugorjon át az alacsony emelésű profilról a magas emelésű profilra. Az emelés és a nyitási idő változik, de a beállítás lépcsőzetes. Az első sorozatgyártású megvalósítás a Honda VTEC volt: hidraulikus nyomással egy csapot mozgatnak, és a magas emelésű himbila a szomszédos alacsony emelésű karhoz kapcsolódik.

A harmadik fokozatot az ingázó vezérműtengely-rendszerek jelentik: a BMW Valvetronic, a Nissan VVEL és a Toyota Valvematic folyamatosan állítja az emelést és a nyitási időt; azonban az emelés a nyitási idővel arányos, a kettő külön nem szabható meg, és ezek a rendszerek csak a szívó oldalon hatnak. Egzotikusabb megoldásokat is kipróbáltak: emelést a nyitási időtől függetlenül változtató vezérműtengely-tárcsás rendszereket (a MG Rover VVC-je) és a vezérműtengely tengelye mentén változó profilú toló-kúpos vezérműtengely-koncepciót említhetjük - utóbbi a Ferrarihoz kapcsolódik, bár gyártásban való alkalmazásáról nincs tudomásunk.

Az elméleti csúcs a vezérműtengely nélküli rendszerek: a szelepek elektromágneses vagy pneumatikus aktuátorral történő közvetlen vezérlése teljes szabadságot ad az időzítésben és az emelésben. A Koenigsegg bejelentette, hogy ezt a Freevalve megoldással a Gemerában kínálja; azonban a vezérműtengely nélküli háromhengeres változatot az alacsony kereslet miatt a gyártás előtt törölték, és az autó V8-mal került útra. A költséghatékony gyártás továbbra is ennek az ötletnek az előtt álló fal.

Időzítés vagy emelés?

Itt rejlik a fogalmi zavar vesztesége: a VVT jellemzően a kibocsátás és a vezérlés időzítését, a változó szelepemelés (VVL) pedig a fordulatszámhoz és terheléshez igazított teljesítményjavítást célozza. A Mercedes Camtronic ez a kettős működés jól összefoglalja: a változó vezérműtengely-fázislépés az alacsony és középső fordulatszámú nyomatékot, a változó emelés plusz időtartam pedig a magas fordulatszámú teljesítményt javítja; az ára egy kissé bonyolultabb konstrukció. Léteznek a kipufogó oldalon két különböző vezérműprofilt használó VVL rendszerek is.

VTEC, VVT-i, VANOS: Különböző Nevek, Ugyanaz az Elv

Minden gyártónak megvan a saját rövidítése, de mindegyik mögött ugyanaz a fizika áll. A különbség abban rejlik, hogy hol és hogyan történik a vezérlés. VTEC körülbelül 6000 fordulaton vált vezérműprofilt - hirtelen, határozott átmenet. VVT-i a szívóidzítést folyamatosan előre tololja bármilyen ugrás nélkül. VANOS mind a szívót, mind a kipufogót mozgatja, és a teljes fordulatszámtartományban folyamatosan működik; az egyetlen VANOS körülbelül 1200-4000 fordulat sávjában hatékony, míg a VTEC jellemzően 4500-5000 fordulat felett kapcsol be. A modern i-VTEC valójában a VTEC emelőmechanikájának és a VVT-i-hez hasonló vezérműtengely-fázisléptetőknek (VTC) a kombinációja.

Különböző Szerepek Atmoszferikus és Turbómotoroknál

Atmoszferikus motornál a levegő saját beszívásával jut a hengerbe; a hatékonyság teljes mértékben a szelepmozgások precizitásán nyugszik. Ezért a modern atmoszferikus motorokat szinte kivétel nélkül közvetlen befecskendezéssel és VVT-vel szerelik fel. A teljesítmény eléréséhez nagyobb hengerűrtartalomra van szükségük, de cserébe egyszerűbb, kiszámíthatóbb karaktert és kiszámíthatóbb üzemanyag-fogyasztást kínálnak.

Turbómotornál a VVT feladata kissé eltolódik: a turbó a nagy hengerűrtartalmú atmoszferikus motorhoz hasonló alacsony fordulatszámú nyomatékot biztosíthat; érzékelhető késleltetés ellenére az autó gyorsabbnak érezhető lehet. A VVT éppen az egyik olyan fejlesztés, amely a turbó bekapcsolása előtti alacsony fordulatszámú tartományban a nyomaték táplálásával teszi simábbá ezt az átmenetet. Az ára több hő, több igénybevétel, több mozgó alkatrész és az elektronika. A feltöltött szívású motoroknál a korai szívószelep-zárás (Miller-ciklus) emellett a sűrített töltés ellenőrzés alatt tartásának szabványos módja.

A Vezető Hogyan Érzékeli Ezt a Technológiát a Mindennapi Használatban?

A leginkább érezhető hatás az alacsony fordulatszámú nyomaték növekedése: a tengelykapcsoló elengedésekor a motor kevesebb rázkódással forog, emelkedőn csökken az átváltás szükségessége, és még a maximális motorfordulatszám is felhúzható. A karakterbeli különbség is érezhető: a VVT-i-vel felszerelt motor lineárisan és csendesen halad, míg a klasszikus VTEC alacsony fordulatszámon nyugodt marad, és a profilváltásnál markánsan agresszívabbá válik. A két filozófia közötti választás a fórumok klasszikus vitája; egyes vezetők a városi hirtelen VTEC-átváltást fárasztónak találják, miközben a bütyköstengely-profilváltás a motorkultúra legismertebb pillanatai közé tartozik. A lineáris teljesítményt preferáló táborok a folyamatos és sima karaktert védelmezik.

A történelmi perspektíva jól szemlélteti ezt az érettséget. Ismert, hogy az első vezérlésidőzítés-szabályozó szabadalmat Alanson Partridge Brush jelentette be 1903-ban, 1904-ben adták meg, és a Cadillac Runabout and Tonneau-ban használták; a változó időtartam iránti igény az 1920-as években, amikor a maximális fordulatszámhatárok emelkedtek, hozta az első szabadalmakat. Giovanni Torazza az 1960-as évek végén benyújtott Fiat szabadalmai hidraulikus nyomással módosították a bütyköstengely-followerek forgáspontját, és az első funkcionális autóipari VVT-tervezést jelentették változó emeléssel, jellemzően 37%-os nyitásváltozást kínálva. 1980-ban az Alfa Romeo Spider 2000 befecskendezéses modelljeivel az első gyártó lett, amely sorozatgyártású autóban alkalmazott VVT-t; 1989-ben a Honda VTEC (az első motor a B16A) külön bütykösprofillal növelte a csúcsteljesítményt. A technológia ezután a motorkerékparakra terjedt át (2007, Kawasaki 1400GTR), majd 2010-ben a Mitsubishi 4N13 1.8-mal a világ első VVT-vel ellátott személyautós dízelmotorjára; sőt 2007-ben a Caterpillar az EPA-s követelmények után a kamionmotorokban az EGR helyett VVT-vel csökkentette a NOx-kibocsátást.

Karbantartási oldal: a rendszer olajjal él

A VVT-rendszereket olajnyomás vezérli; a vezérléstengely-fázismódosítók és a VVT-szolenoidok mind a működés, mind a hibakeresés középpontjában állnak. Az alacsony olajszint problémát okozhat a vezérlőláncban, a szolenoidban vagy a fogaskerék-átvitelben; ezért az olajszint rendszeres ellenőrzése és a gyártó karbantartási tervének betartása a legpraktikusabb lépés a VVT-meghibásodások megelőzésében. Amikor a rendszer nem megfelelően működik, az első jelek általában a teljesítmény és az üzemanyag-gazdaságosság romlása.

Következtetés: A motor karakterének megrajzolása egy szelepmechanizmussal

Akár VTEC, akár VANOS, akár VVT-i, a mögöttes gondolat ugyanaz: a szelep nyitási és zárási időzítésének a motorhoz igazítása. Egy rögzített vezérműtípus egyik fordulatszámon tökéletes, a másikon kompromisszumot kíván; a VVT ezt a kompromisszumot szünteti meg. A kamphasektől a változó szelepemelésig tartó lépések mindegyike az alacsony fordulatszámú nyomaték és a magas fordulatszámú teljesítmény közötti egyensúly egy kicsit finomabb hangolása. Bár a vezérműtengely nélküli rendszerek még nem lépték át a költséghatárt, az utakon közlekedő motorok túlnyomó többsége ennek a száz éves elvnek az érett termékeivel működik - és a vezető ezt észrevétlenül, minden egyes sima gyorsulásnál érzi.

Források

• Variable valve timing
• Variable Valve Timing Explained - Car and Driver
• Variable Valve Timing Advantages - Hot Rod
• V-TEC Vs Vanos Vs VVT-i: How Do They All Work? - Car Throttle
• VTEC vs VVT-i - Diffen
• Mercedes Camtronic - Autozine Technical School
• VVL vs VVT differences - Motor Authority
• Fuel economy analysis of part-load variable camshaft timing - ScienceDirect
• What Is Variable Valve Timing - RepairPal
• Pondering Variable Valve Timing - Snap-on
• Variable Valve Timing Maintenance - Strut Daddy's