Mootori jõudlus — sealhulgas väljundvõimsus, pöördemoment, kütusesäästlikkus ja heitmed — sõltub kümnete täpselt häälestatud tegurite kombinatsioonist. Üks kriitilisemaid, kuid sageli tähelepanuta jäetud tegureid on klapiaeg: täpne hetk, mil sisselaskeventiilid ja väljalaskeventiilid avanevad ning sulguvad iga mootori töötakti ajal. Muutuva klapi ajastuse (VVT) süsteemid töötati välja selle ajastuse optimeerimiseks kõigis sõidutingimustes ning need on oluliselt muutnud moodsa mootori töövõimet.
Kuidas juhitakse ventiile traditsioonilises mootoris
Tavapärases nelitaktilises sisepõlemismootoris juhivad sisselaskemise ja väljalaskeventiilide liikumist nukkvõlli nukkude kujud. Nende nukkude kuju määrab kolm peamist omadust:
- Ajastus — millal ventiil avaneb ja sulgub vastavalt kolvi asendile
- Kestus — kui kaua ventiil jääb avatuks (faasi laius)
- Tõste — kui kaugele ventiil oma istmest liigub
Enamikus traditsioonilistes mootorites on need faasid fikseeritud — nukkvõlli profiil ei muutu kunagi, olenemata sellest, kas käid jõude liikluses või kiirendad maanteel. See jäikus on põhimõtteline piirang.
Miks on fikseeritud klapiaeg probleem
Gaasi käitumine silindris, sisselaskekanalites ja väljalaskekanalites muutub oluliselt sõltuvalt mootori pöörlemiskiirusest ja koormusest. Voolu kiirus muutub pidevalt ning rõhulained sisselaskekanalites ja väljalaskekanalites võivad sõltuvalt ajastusest silindri täitmist kas soodustada või takistada. Seetõttu ei saa üks fikseeritud klapi ajastuse seadistus olla optimaalne kõigis töötingimustes.
Siin on, kuidas ideaalne klapiaeg erineb kahe tavapärase stsenaariumi korral:
- Tühikäigul: Kitsad klapi ajastuse faasid töötavad kõige paremini — hiline avanemine ja varajane sulgemine, minimaalse või puuduva ventiilide kattumisega (lühike periood, mil nii sisselaskeventiil kui ka väljalaskeventiil on samaaegselt avatud). See takistab heitgaaside kandumist tagasi sisselaskekollektorisse ning põlemata segu põgenemist väljalaskesse.
- Maksimaalsel võimsusel: Vajalikud on laiad faasid — ventiilid peavad avanema varem ja jääma kauem avatuks, et lasta silindrisse maksimaalne õhu-kütuse segu maht. Laiem kattumise faas aitab ka heitgaase tõhusamalt eemaldada kõrgetel pöörlemissagedustel.
Mootori disainerid on seetõttu sunnitud tegema keerulisi kompromisse. Üks fikseeritud nukkvõlli profiil peab samaaegselt tagama:
- Tugeva madal- ja keskvahemiku pöördemomendi
- Vastuvõetava tipuvõimsuse
- Sujuva ja stabiilse tühikäigu
- Hea kütusesäästlikkuse ja madalad heidete taseme
Kõigi nende nõuete rahuldamine ühe staatilise nukkvõlli profiiliga on peaaegu võimatu — ja just seetõttu leiutati muutuv klapiaeg.
Mida teeb muutuv klapiaeg
Muutuva klapi ajastuse süsteemid võimaldavad mootori klapi käitumisel kohanduda reaalajas muutuvatele sõidutingimustele. Faasi ajastust, kestust ja tõstet reguleerides saavad insenerid mootori võimsusjoonet dramaatiliselt ümber kujundada ilma mehaaniliste kompromissideta. Potentsiaalsed eelised hõlmavad:
- Suurenenud pöördemoment laiemal pöörlemissageduste vahemikul
- Kõrgem maksimaalne väljundvõimsus
- Parem kütusesäästlikkus
- Vähendatud väljalaskeheitmed
- Sujuvam tühikäik ja gaasipedaali reageerimisaeg
Muutuva klapi ajastuse süsteemide tüübid
Faasi nihutajad (nukkvõlli faasijad)
Kõige levinum VVT-lahendus kasutab faasi nihutajat — hüdrauliliselt juhitavat sidurit, mis pöörab nukkvõlli väntvõlli suhtes. Mootori pöörlemiskiiruse tõustes nihutab süsteem sisselaskenukkvõlli ettepoole, põhjustades sisselaskeventiilide varasema avanemise. See parandab silindri täitmist kõrgetel pöörlemissagedustel. Enamik rakendusi töötab ainult sisselaskenukkvõllil, kuigi kahe nukkvõlliga süsteemid (nagu BMW Double VANOS) reguleerivad nii sisselaskamise kui ka väljalaskamise ajastust sõltumatult.
Muutuva faasi laiuse süsteemid
Arenenumad süsteemid lähevad kaugemale pelgast faasi nihutamisest — need suudavad ka faasi laiendada või kitsendada. Tuntud näide on Toyota VVTL-i süsteem, mis kasutab samal võllil kahte nukkprofiili:
- Alla 6000 p/min juhib klapiülekannet standardne nukkloba
- Üle 6000 p/min võtab üle agressiivsema profiiliga teisene nukk, laiendades ajastuse faasi ja suurendades klapi tõstet
- Kui mootor läheneb oma 8500 p/min pöörlemispiirile, annab see üleminek märgatava jõutõuke — selgelt tuntav “teine tuul” tugeva kiirenduse ajal
Muutuva klapi tõste süsteemid
Muutmine, millal ventiilid avanevad, on üks asi — muutmine, kui kaugele need avanevad, on teine. Muutuva tõste süsteemid, nagu BMW Valvetronic või Nissani VVEL, võimaldavad sisselaskeventiili tõstet pidevalt reguleerida vastavalt gaasipedaali asendile.
See lähenemisviis pakub olulist eelist: see võib kõrvaldada vajaduse traditsioonilise gaasikorbi järele. Siin on põhjus, miks see on oluline:
- Traditsiooniline gaasikork loob madalatel koormustel sisselasketraktis osalise vaakumi, suurendades pumpamiskaotusi
- See vaakum aeglustab gaasivoogu, halvendab silindri täitmise kvaliteeti ja nüriastab gaasipedaali reageerimist
- Mootori koormuse juhtimine klapi tõste kaudu võimaldab sisselaskel jääda suuresti piiranguteta
Tulemused on märkimisväärsed. Gaasikorbivabad muutuva tõste süsteemid tagavad tavaliselt:
- 8–15% paranemise kütusesäästlikkuses
- 5–15% kasvu nii maksimaalses võimsuses kui ka pöördemomentides
- Märgatavalt teravam gaasipedaali reageerimisaeg, eriti madalatel kiirustel
Elektromagnetiline klapi ajam
Klapi juhimise kõige arenenum kontseptsioon asendab mehaanilised nukkvõllid täielikult elektromagnetiliselt juhitavate ventiiilidega. Iga ventiil avaneb ja sulgub iseseisvalt elektrooniliste solenoidide abil, andes mootori juhtimissüsteemile täieliku vabaduse ajastuse, tõste ja kestuse üle iga üksiku ventiili jaoks igal taktil.
Avatavad võimalused on märkimisväärsed:
- Täiuslikult optimeeritud klapiaeg igal pöörlemissagedusel ja koormusel
- Üksikute silindrite deaktiveerimine kerge koormuse ajal kütuse säästmiseks
- Dünaamiline ümberlülitumine põlemistaktite vahel — näiteks nelitaktilise mootori reaalajas teisendamine kuuetaktiliseks konfiguratsiooniks
- Nukkvõlli ja sellega seotud mehaaniliste kaotuste täielik kõrvaldamine
Elektromagnetilised klapijuhtimissüsteemid on suuresti endiselt uurimis- ja arendusfaasis, kuid nende potentsiaal sisepõlemismootori efektiivsuse ümbermõtestamisel on märkimisväärne. Kas nad jõuavad lähitulevikus masstootmiseni, jääb näha.
Kokkuvõte
Muutuv klapiaeg on üks mõjukamaid tehnoloogiaid moodsa mootori arenduses. Kohandades klapi käitumist igale sõidutingimusele — linnasõidust täisgaasil kiirendamiseni — võimaldavad VVT-süsteemid inseneritel luua mootoreid, mis on samaaegselt võimsamad, efektiivsemad ja puhtamad, kui fikseeritud ajastusega disainid kunagi suudaksid.
Sellest hoolimata on klapi ajastuse optimeerimisel oma piirangud. Antud töömahtusest täiendava võimsuse, pöördemomendi ja efektiivsuse kätte saamine tugineb üha enam teistele tehnoloogiatele — kombineeritud sundinduktsiooni süsteemidele, muutuva kompressiooniastme mootoritele ja alternatiivkütustele. Kuid see on juba teise artikli teema.
See on tõlge. Originaali saate lugeda siit: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Avaldatud jaanuar 13, 2022 • 6m lugemiseks
