Výkon motoru — včetně výstupního výkonu, točivého momentu, spotřeby paliva a emisí — závisí na desítkách přesně nastavených faktorů. Jedním z nejdůležitějších, avšak často přehlíženým, je časování ventilů: přesný okamžik otevření a zavření sacích a výfukových ventilů během každého pracovního cyklu motoru. Systémy variabilního časování ventilů (VVT) byly vyvinuty k optimalizaci tohoto časování ve všech jízdních podmínkách a zásadně změnily způsob fungování moderních motorů.
Jak jsou ventily ovládány v tradičním motoru
V konvenčním čtyřtaktním spalovacím motoru jsou sací a výfukové ventily ovládány vačkami vačkového hřídele. Tvar těchto vaček určuje tři klíčové charakteristiky:
- Časování — kdy se ventil otevírá a zavírá vzhledem k poloze pístu
- Trvání — jak dlouho ventil zůstává otevřený (šířka fáze)
- Zdvih — jak daleko se ventil pohybuje od svého sedla
Ve většině tradičních motorů jsou tyto fáze pevné — profil vačkového hřídele se nikdy nemění, bez ohledu na to, zda motor běží na volnoběh v dopravní zácpě nebo zrychlujete na dálnici. Tato strnulost představuje zásadní omezení.
Proč je pevné časování ventilů problémem
Chování plynů uvnitř válce, sacích a výfukových kanálů se výrazně mění v závislosti na otáčkách a zatížení motoru. Rychlost proudění se neustále mění a tlakové vlny v sacích a výfukových kanálech mohou plnění válce buď pomáhat, nebo škodit v závislosti na časování. Z tohoto důvodu nemůže jediné pevné nastavení časování ventilů být optimální pro všechny provozní podmínky.
Zde je srovnání ideálního časování ventilů ve dvou běžných scénářích:
- Na volnoběh: Nejlépe fungují úzké fáze časování ventilů — pozdní otevření a brzké zavření, s minimálním nebo žádným překrytím ventilů (krátké období, kdy jsou sací i výfukové ventily otevřeny současně). To zabraňuje zpětnému průniku výfukových plynů do sacího potrubí nebo úniku nespálené směsi do výfuku.
- Při maximálním výkonu: Jsou potřeba široké fáze — ventily by se měly otevírat dříve a zůstat otevřeny déle, aby mohl do válců vstoupit maximální objem směsi vzduch-palivo. Širší fáze překrytí také pomáhá efektivněji vyplachovat výfukové plyny při vysokých otáčkách.
Konstruktéři motorů jsou proto nuceni dělat obtížné kompromisy. Jediný pevný profil vačkového hřídele musí současně zajišťovat:
- Silný točivý moment v nízkém a středním pásmu otáček
- Přijatelný maximální výkon
- Klidný, stabilní volnoběh
- Nízkou spotřebu paliva a nízké emise
Splnit všechny tyto požadavky jediným statickým profilem vačky je téměř nemožné — a to je přesně důvod, proč bylo variabilní časování ventilů vynalezeno.
Co dělá variabilní časování ventilů
Systémy variabilního časování ventilů umožňují motoru přizpůsobit chování ventilů v reálném čase měnícím se jízdním podmínkám. Úpravou časování fáze, trvání a zdvihu mohou inženýři dramaticky přeformovat výkonovou křivku motoru bez mechanických kompromisů. Potenciální výhody zahrnují:
- Zvýšený točivý moment v širším rozsahu otáček
- Vyšší maximální výkon
- Lepší spotřebu paliva
- Snížené výfukové emise
- Klidnější volnoběh a lepší odezvu akcelerátoru
Typy systémů variabilního časování ventilů
Fázové posunovače (Cam Phasery)
Nejběžnější přístup VVT využívá fázový posunovač — hydraulicky ovládanou spojku, která otáčí vačkovým hřídelem vůči klikovému hřídeli. S rostoucími otáčkami motoru systém předsouvá sací vačkový hřídel, čímž způsobuje dřívější otevírání sacích ventilů. To zlepšuje plnění válců při vysokých otáčkách. Většina provedení pracuje pouze na sacím vačkovém hřídeli, ačkoli dvouosové systémy (jako BMW Double VANOS) nastavují časování sacích i výfukových ventilů nezávisle na sobě.
Systémy s variabilní šířkou fáze
Pokročilejší systémy jdou za pouhé posouvání fáze — mohou ji také rozšiřovat nebo zužovat. Dobře známým příkladem je Toyotův systém VVTL-i, který používá dva profily vaček na stejném hřídeli:
- Pod 6 000 ot/min standardní vačka řídí pohyb ventilů
- Nad 6 000 ot/min přebírá kontrolu sekundární vačka s agresivnějším profilem, rozšiřuje časovací fázi a zvyšuje zdvih ventilů
- Jak se motor blíží hranici 8 500 ot/min, tento přechod přináší charakteristický nárůst výkonu — znatelný „druhý dech” při tvrdém zrychlování
Systémy variabilního zdvihu ventilů
Změna okamžiku otevření ventilů je jedna věc — změna toho, jak dalece se otevírají, je věc druhá. Systémy variabilního zdvihu, jako BMW Valvetronic nebo Nissan VVEL, umožňují průběžné nastavování zdvihu sacího ventilu na základě polohy škrtící klapky.
Tento přístup nabízí výraznou výhodu: může eliminovat potřebu konvenční škrtící klapky. Zde je důvod:
- Tradiční škrtící klapka vytváří při malém zatížení v sacím kanálu částečné vakuum, čímž zvyšuje ztráty čerpání
- Toto vakuum zpomaluje proudění plynů, zhoršuje kvalitu plnění válce a tlumí odezvu akcelerátoru
- Řízením zatížení motoru prostřednictvím zdvihu ventilů místo škrtící klapky může sací systém zůstat převážně neomezený
Výsledky jsou podstatné. Systémy variabilního zdvihu bez škrtící klapky typicky přinášejí:
- Zlepšení o 8–15 % spotřeby paliva
- Nárůst o 5–15 % maximálního výkonu i točivého momentu
- Znatelně ostřejší odezvu akcelerátoru, zejména při nízkých rychlostech
Elektromagnetické ovládání ventilů
Nejpokročilejší koncept v ovládání ventilů zcela nahrazuje mechanické vačkové hřídele elektromagneticky ovládanými ventily. Každý ventil je otevírán a zavírán nezávisle elektronickými solenoidy, čímž řídicí systém motoru získává úplnou svobodu nad časováním, zdvihem a trváním pro každý jednotlivý ventil v každém cyklu.
Možnosti, které to otvírá, jsou pozoruhodné:
- Dokonale optimalizované časování ventilů pro každé otáčky a podmínky zatížení
- Deaktivace jednotlivých válců při jízdě s malým zatížením pro úsporu paliva
- Dynamické přepínání mezi spalovacími cykly — například přeměna čtyřtaktního motoru za jízdy na šestitaktní konfiguraci
- Úplné odstranění vačkového hřídele a s ním spojených mechanických ztrát
Elektromagnetické ventilové rozvody zůstávají převážně ve fázi výzkumu a vývoje, ale jejich potenciál k redefinování účinnosti spalovacích motorů je značný. Zda se dostanou do sériové výroby v blízké budoucnosti, teprve uvidíme.
Závěr
Variabilní časování ventilů je jednou z nejdůležitějších technologií v moderním vývoji motorů. Přizpůsobením chování ventilů každé jízdní podmínce — od volnoběhu ve městě po zrychlování plným plynem — umožňují systémy VVT inženýrům vytvářet motory, které jsou současně výkonnější, hospodárnější a čistší, než jaké kdy mohly být konstrukce s pevným časováním.
Optimalizace časování ventilů má však svá omezení. Další zvyšování výkonu, točivého momentu a účinnosti z daného zdvihového objemu bude stále více záviset na dalších technologiích — kombinovaných systémech přeplňování, motorech s variabilním kompresním poměrem a alternativních palivech. To je ale téma pro jiný článek.
Toto je překlad. Originál si můžete přečíst zde: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Publikováno Leden 13, 2022 • 6m ke čtení
