Jak zmienny rozrząd dostosowuje oddech silnika?

Zmienna faza rozrządu (VVT) polega na ciągłym, zależnym od obrotów i obciążenia silnika, ponownym dostosowywaniu momentów otwierania i zamykania zaworów ssących i wydechowych. Ponieważ jeden stały rozrząd nie może być wydajny w całym zakresie obrotów, VVT jednocześnie poprawia osiągi, ekonomię paliwową i emisje, zachowując moment obrotowy przy niskich obrotach, a moc przy wysokich.

Dlaczego jeden stały rozrząd nie wystarcza?

W silniku tłokowym zawory otwiera wałek rozrządu. Wałek rozrządu jest napędzany od wału korbowego paskiem, łańcuchem lub kołami zębatymi, a każdy krzywka na jego profilu określa dokładnie, kiedy zawór ma się otworzyć, jak długo ma pozostać otwarty i o ile ma zostać uniesiony. Problem polega na tym, że: ten profil to stały kawałek metalu, a potrzeby silnika nie są stałe.

Przy wysokich obrotach silnik potrzebuje ogromnej ilości powietrza. Jeśli zawór ssący zamknie się, zanim cylinder zostanie odpowiednio napełniony, tracimy moc. Odwrotnie, profil z długimi czasami otwarcia, jak wałek wyścigowy, jest zmorą przy niskich obrotach: jeśli zawór ssący otworzy się, gdy zawór wydechowy jest jeszcze otwarty (stan ten nazywa się przepychem, czyli overlap), wysokie ciśnienie w wydechu może wypchnąć świeży ładunek ssący z powrotem i zanieczyścić kolektor ssący spalinami. Jak ujął to inżynier David Vizard, oznacza to, że w oknie, w którym oba zawory są otwarte, paliwo ucieka razem z wydechem.

Aby pojąć skalę, wystarczy jedna liczba: przy 3000 obrotów na minutę wałek rozrządu obraca się 25 razy na sekundę. Aby zdarzenia zaworowe miały sens, w tak szybkim cyklu muszą następować dokładnie we właściwym momencie. I właśnie do tego służy VVT: jednostka sterująca silnika, niezależnie przesuwając fazę wałka rozrządu względem wału korbowego, w każdych warunkach na nowo ustawia czas przepychu.

Jak zmienna faza rozrządu wpływa na moc, moment obrotowy i zużycie paliwa?

Kierunek przesunięcia rozrządu zależy od tego, co chcesz zyskać. Gdy wałek rozrządu jest przesunięty do przodu, zawory otwierają się i zamykają wcześniej; to zwiększa moment obrotowy przy niskich obrotach i ekonomię paliwową - kosztem mocy przy wysokich obrotach. Przesunięcie w tył wydłuża krzywą mocy przy wysokich obrotach. Nowoczesny układ stale równoważy te dwa końce zależnie od obrotów.

Efekt jest mierzalny: z VVT na końcach krzywych momentu i mocy obserwuje się typowo poprawę mocy o 5-10%, a w wielu silnikach moment obrotowy przy niskich obrotach może wzrosnąć o 5-15%. To nie jest jedynie teoretyczna górna krzywa, lecz w codziennej jeździe silnik, który wcześniej zmienia biegi wyżej i wymaga mniej drobnych ruchów gazem.

Korzyść po stronie zużycia paliwa

Prawdziwe ciche zwycięstwo dokonuje się przy częściowym obciążeniu - czyli w zakresie, w którym samochód spędza większość czasu. Późniejsze zamykanie zaworu ssącego (późny IVC) redukuje straty pompowania nawet o 40%, obniża emisje NOx o 24% i kosztuje jedynie 1% maksymalnego momentu obrotowego. Wczesne zamykanie zaworu ssącego również redukuje straty pompowania o 40% i poprawia ekonomię paliwową o 7%; może jednak wyraźnie obniżyć temperaturę komory spalania i zwiększyć emisję węglowodorów. Ta strategia wczesnego zamykania jest standardowym narzędziem silników z cyklem Millera wyposażonych w doładowanie. Teoretycznie optymalna strategia rozrządu dla silnika z wtryskiem do kolektora przewiduje poprawę ekonomii paliwowej ponad 8%; w badaniach skupiających się na warunkach częściowego obciążenia raportowano poprawę do 5%.

Szczeble technologiczne: Od fazy wałka do zmiennej skoku zaworów

"VVT" to nie jedna technologia, lecz drabina sięgająca różnych poziomów kontroli. Najniższym szczeblem jest zmienna faza wałka: wałek rozrządu obraca się do przodu lub do tyłu względem wału korbowego; zawory otwierają się wcześniej lub później, ale skok i czas otwarcia pozostają niezmienione. Wczesne systemy były schodkowe - np. inne rozrządy poniżej i powyżej 3500 obrotów. Pierwszym systemem ciągłym (o nieskończonej regulacji) była VarioCam w Porsche 968 z 1992 roku; działała ona tylko na zaworach ssących.

Drugi szczebel to przełączanie między dwoma profilami krzywek. Aktuator, zazwyczaj przy określonej prędkości obrotowej, przeskakuje z profilu o niskim skoku na profil o wysokim skoku. Skok i czas trwania się zmieniają, ale regulacja jest skokowa. Pierwszą aplikacją seryjną był Honda VTEC: pod wpływem ciśnienia hydraulicznego przesuwany jest sworzeń i dźwigienka o wysokim skoku sprzęga się z sąsiednią dźwigienką o niskim skoku.

Trzeci szczebel to układy krzywek kołyskowych: BMW Valvetronic, Nissan VVEL i Toyota Valvematic regulują skok i czas trwania w sposób ciągły; jednak skok jest proporcjonalny do czasu trwania, obu nie można ustawić niezależnie, a systemy te działają tylko po stronie ssącej. Próbowano też bardziej egzotycznych rozwiązań: można wymienić układy tarczy rozrządu, które zmieniają skok niezależnie od czasu trwania (VVC firmy MG Rover), oraz koncepcję krzywek stożkowych przesuwanych wzdłuż osi wałka z różnymi profilami - choć ta ostatnia kojarzona jest z Ferrari, nie wiadomo, by była stosowana w produkcji.

Teoretycznym szczytem są układy bez wałka rozrządu: bezpośrednie sterowanie zaworami za pomocą aktuatora elektromagnetycznego lub pneumatycznego daje pełną swobodę rozrządu. Koenigsegg ogłosił, że zaoferuje to w modelu Gemera dzięki Freevalve; jednak bezwałkowy wariant trzycylindrowy został anulowany przed produkcją z powodu niskiego popytu i samochód wyruszył w drogę z V8. Opłacalna ekonomicznie produkcja to nadal mur stojący na drodze tej idei.

Rozrząd czy skok zaworów?

Tu rodzi się zamieszanie terminologiczne: VVT ma na celu zazwyczaj kontrolę emisji i rozrządu, natomiast zmienny skok zaworów (VVL) - poprawę osiągów w zależności od obrotów i obciążenia. Mercedes Camtronic dobrze ilustruje tę współpracę: fazowanie zmiennych wałków poprawia moment obrotowy przy niskich i średnich obrotach, a zmienny skok zaworów poprawia moc przy wysokich obrotach; układ jest natomiast nieco bardziej skomplikowany. Po stronie wydechu istnieją też systemy VVL wykorzystujące dwa różne profile wałków.

VTEC, VVT-i, VANOS: Różne Nazwy, Ta Sama Zasada

Każdy producent ma własny skrót, ale pod spodem kryje się ta sama fizyka. Różnica polega na tym, gdzie i jak odbywa się sterowanie. VTEC zmienia profil wałka przy około 6000 obr./min - to nagła, wyraźna zmiana. VVT-i przesuwa fazowanie ssania w sposób ciągły, bez żadnych skoków. VANOS steruje zarówno ssaniem, jak i wydechem i działa w sposób ciągły w całym zakresie obrotów; jednofazowy VANOS działa w zakresie około 1200-4000 obr./min, natomiast VTEC włącza się typowo powyżej 4500-5000 obr./min. Współczesny i-VTEC to w istocie połączenie mechanizmu skoku VTEC z fazownikami wałków zbliżonymi do VVT-i (VTC).

Różne Role w Silnikach Wolnossących i Turbo

W silniku wolnossącym powietrze dostaje się do cylindra własnym ssaniem; sprawność opiera się w całości na precyzji zjawisk zaworowych. Dlatego współczesne silniki wolnossące są wyposażane niemal bez wyjątku we wtrysk bezpośredni i VVT. Aby uzyskać moc, potrzebują większej pojemności, ale w zamian oferują prostszy, bardziej przewidywalny charakter i bardziej przewidywalne zużycie paliwa.

W silniku turbo zadanie VVT nieco się przesuwa: turbo może zapewnić moment obrotowy przy niskich obrotach, podobnie jak duży silnik wolnossący; choć występuje odczuwalne opóźnienie, auto jest bardziej odczuwalne. VVT to właśnie jedno z rozwiązań łagodzących to przejście poprzez dostarczanie momentu obrotowego w zakresie niskich obrotów, tuż przed wejściem turbo w akcję. Ceną jest większa ilość ciepła, więcej obciążonych elementów, więcej ruchomych części i elektronika. W silnikach doładowanych wczesne zamykanie zaworu ssącego (obieg Millera) to dodatkowo standardowy sposób kontroli napełnienia sprężanego.

Jak Kierowca Odczuwa Te Technologię na Co Dzień?

Najbardziej odczuwalnym efektem jest wzrost momentu obrotowego przy niskich obrotach: po puszczeniu sprzęgła silnik kręci się mniej szarpnięć, na wzniesieniu rzadziej zachodzi potrzeba redukcji biegu, a nawet maksymalne obroty silnika mogą zostać podniesione. Odczuwalna jest także różnica w charakterze: Silnik wyposażony w VVT-i pracuje liniowo i cicho, podczas gdy klasyczny VTEC przy niskich obrotach pozostaje spokojny, a przy przełączeniu profilu wyraźnie się agresywnieje. Wybór między tymi dwiema filozofiami to klasyczna dyskusja na forach; niektórzy kierowcy uważają nagłe przełączenie VTEC w mieście za męczące, jednak przełączenie profilu wałka rozrządu pozostaje jednym z najbardziej rozpoznawalnych momentów kultury motoryzacyjnej. Obozy liniowego wzrostu zaś bronią ciągłego i gładkiego charakteru.

Perspektywa historyczna dobrze opisuje tę dojrzałość. Wiadomo, że pierwszy patent na VVT został zgłoszony w 1903 roku przez Alansona Partridge'a Brusha, przyznany w 1904 roku i zastosowany w Cadillac Runabout and Tonneau; Potrzeba tego zmiany narodziła się w latach 20. XX wieku, gdy podnoszono limity maksymalnych obrotów, co zaowocowało pierwszymi patentami. Patenty Fiata Giovanniego Torazzy z końca lat 60. XX wieku, zmieniające hydraulicznie pod ciśnieniem punkt obrotu krzywki, były pierwszą funkcjonalną motoryzacyjną konstrukcją VVT i zazwyczaj oferowały zmianę otwarcia o 37%. W 1980 roku Alfa Romeo Spider 2000, wraz z wersjami z wtryskiem, uczyniło markę pierwszym producentem stosującym VVT w samochodzie seryjnym; w 1989 roku Honda VTEC (pierwszy silnik B16A) zwiększyła moc szczytową dzięki odrębnemu profilowi wałka. Technologia rozprzestrzeniła się później na motocykle (2007, Kawasaki 1400GTR) oraz w 2010 roku, z Mitsubishi 4N13 1.8, na pierwszy na świecie osobowy diesel z VVT; co więcej, w 2007 roku Caterpillar po wprowadzeniu wymogów EPA zmniejszył emisję NOx w silnikach ciężarówek za pomocą VVT zamiast EGR.

Strona serwisowa: system żyje olejem

Systemy VVT są sterowane ciśnieniem oleju; fazowniki wałka rozrządu i solenoidy VVT znajdują się w centrum zarówno eksploatacji, jak i diagnostyki. Niski poziom oleju może powodować problemy w łańcuchu rozrządu, solenoidzie lub przekładni zębatej; dlatego regularne sprawdzanie poziomu oleju i przestrzeganie planu serwisowego producenta to najbardziej praktyczny krok w zapobieganiu awariom VVT. Gdy system nie działa, pierwsze objawy to zazwyczaj pogorszenie osiągów i ekonomii paliwa.

Podsumowanie: Kreowanie charakteru silnika za pomocą mechanizmu zaworowego

Niezależnie od tego, czy to VTEC, VANOS czy VVT-i, leżąca u podstaw idea jest ta sama: dostosowanie momentu otwierania i zamykania zaworów do potrzeb silnika. Stały profil wałka, doskonały przy jednych obrotach, musi czynić ustępstwa przy innych; VVT eliminuje ten kompromis. Każde z kolejnych ogniw, od fazowania wałka po zmienny skok, to coraz precyzyjniejsze strojenie równowagi między momentem przy niskich obrotach a mocą przy wysokich. Choć systemy bez wałka rozrządu nie pokonały jeszcze muru kosztów produkcji, zdecydowana większość silników na dzisiejszych drogach pracuje dzięki dojrzałym owocom tej stuletniej zasady - a kierowca odczuwa to, nieświadomy, przy każdym płynnym przyspieszeniu.152|Źródła

Źródła

• Zmienna faza rozrządu
• Zmienna faza rozrządu wyjaśniona - Car and Driver
• Zalety zmiennej fazy rozrządu - Hot Rod
• V-TEC kontra Vanos kontra VVT-i: jak to wszystko działa? - Car Throttle
• VTEC kontra VVT-i - Diffen
• Mercedes Camtronic - Autozine Technical School
• Różnice między VVL a VVT - Motor Authority
• Analiza zużycia paliwa przy zmiennych fazach rozrządu przy częściowym obciążeniu - ScienceDirect
• Czym jest zmienny rozrząd zaworowy - RepairPal
• Rozważania nad zmiennym rozrządem zaworowym - Snap-on
• Konserwacja zmiennego rozrządu zaworowego - Strut Daddy's