Performanse motora — uključujući snagu, okretni moment, potrošnju goriva i emisije ispušnih plinova — ovise o desecima precizno podešenih čimbenika. Jedan od najvažnijih, a često zanemarenih, jest upravljanje ventilima: precizan trenutak otvaranja i zatvaranja usisnih i ispušnih ventila tijekom svakog ciklusa motora. Sustavi varijabilnog upravljanja ventilima (VVT) razvijeni su kako bi optimizirali ovo upravljanje u svim uvjetima vožnje, i u potpunosti su promijenili način na koji moderni motori funkcioniraju.
Kako se ventilima upravlja u tradicionalnom motoru
U konvencionalnom četverotaktnom motoru s unutarnjim izgaranjem, usisnim i ispušnim ventilima upravljaju bregovi bregaste osovine. Oblik ovih bregova određuje tri ključne karakteristike:
- Upravljanje — kada se ventil otvara i zatvara u odnosu na položaj klipa
- Trajanje — koliko dugo ventil ostaje otvoren (širina faze)
- Hod — koliko se ventil pomiče od svog sjedišta
U većini tradicionalnih motora, ove faze su fiksne — profil bregaste osovine se nikada ne mijenja, bez obzira radi li motor u praznom hodu u prometu ili ubrzavate na autocesti. Ova krutost temeljno je ograničenje takvih motora.
Zašto je fiksno upravljanje ventilima problem
Ponašanje plinova unutar cilindra, usisnih i ispušnih kanala značajno se mijenja ovisno o broju okretaja i opterećenju motora. Brzina protoka se stalno mijenja, a tlačni valovi u usisnim i ispušnim kanalima mogu ili pomoći ili odmažati punjenju cilindra, ovisno o vremenskom upravljanju. Zbog toga, jedna fiksna postavka upravljanja ventilima ne može biti optimalna u svim uvjetima rada.
Evo kako se idealno upravljanje ventilima razlikuje između dva uobičajena scenarija:
- U praznom hodu: Uske faze upravljanja ventilima funkcioniraju najbolje — kasno otvaranje i rano zatvaranje, s minimalnim ili nikakvim preklapanjem ventila (kratko razdoblje kada su usisni i ispušni ventili istovremeno otvoreni). To sprečava povrat ispušnih plinova u usisnu granu ili bijeg neizgorjele mješavine u ispušni sustav.
- Pri maksimalnoj snazi: Potrebne su široke faze — ventili bi trebali ranije otvoriti i ostati otvoreni dulje kako bi se u cilindre mogao unijeti maksimalni volumen smjese zrak-gorivo. Šira faza preklapanja također pomaže učinkovitijem ispiranju ispušnih plinova pri visokim brojevima okretaja.
Konstruktori motora stoga su prisiljeni na teške kompromise. Jedan fiksni profil bregaste osovine mora istovremeno pružiti:
- Visoki okretni moment pri niskim i srednjim brojevima okretaja
- Prihvatljivu maksimalnu snagu
- Miran, stabilan rad u praznom hodu
- Dobru ekonomičnost goriva i niske emisije
Zadovoljiti sve ove zahtjeve jednim statičnim profilom bregaste osovine gotovo je nemoguće — što je upravo razlog zašto je varijabilno upravljanje ventilima izumljeno.
Što radi varijabilno upravljanje ventilima
Sustavi varijabilnog upravljanja ventilima omogućuju prilagodbu rada ventila motora u stvarnom vremenu promjenjivim uvjetima vožnje. Podešavanjem vremenskog upravljanja fazom, trajanjem i hodom, inženjeri mogu dramatično preoblikovati krivulju snage motora bez mehaničkih kompromisa. Potencijalne prednosti uključuju:
- Povećani okretni moment u širem rasponu broja okretaja
- Veću maksimalnu snagu
- Poboljšanu potrošnju goriva
- Smanjene emisije ispušnih plinova
- Mirniji rad u praznom hodu i bolji odziv gasa
Vrste sustava varijabilnog upravljanja ventilima
Fazni pomičnici (Cam Phaseri)
Najčešći pristup VVT-u koristi fazni pomičnik — hidraulički aktiviranu spojku koja rotira bregastu osovinu u odnosu na koljenasto vratilo. Kako broj okretaja motora raste, sustav napreduje usisnu bregastu osovinu, uzrokujući ranije otvaranje usisnih ventila. To poboljšava punjenje cilindara pri visokim brojevima okretaja. Većina implementacija radi samo na usisnoj bregastoj osovini, iako sustavi s dvostrukim bregastim osovinama (poput BMW-ovog Double VANOS-a) neovisno podešavaju upravljanje i usisnim i ispušnim ventilima.
Sustavi varijabilne širine faze
Napredniji sustavi idu dalje od jednostavnog pomicanja faze — mogu je i proširiti ili suziti. Dobro poznat primjer je Toyotin VVTL-i sustav, koji koristi dva profila bregova na istoj osovini:
- Ispod 6.000 o/min, standardni breg kontrolira kretanje ventila
- Iznad 6.000 o/min, sekundarni breg s agresivnijim profilom preuzima kontrolu, šireći vremensku fazu i povećavajući hod ventila
- Kako motor prilazi granici od 8.500 o/min, ovaj prijelaz isporučuje karakteristični nagli porast snage — primjetan “drugi dah” tijekom snažnog ubrzanja
Sustavi varijabilnog hoda ventila
Promjena trenutka otvaranja ventila je jedna stvar — promjena koliko daleko se otvaraju je druga. Sustavi varijabilnog hoda, poput BMW-ovog Valvetronicа ili Nissanovog VVEL-a, omogućuju kontinuirano podešavanje hoda usisnog ventila na temelju položaja gasa.
Ovaj pristup nudi značajnu prednost: može eliminirati potrebu za konvencionalnom zaklopkom gasa. Evo zašto je to važno:
- Tradicionalna zaklopka gasa stvara djelomični vakuum u usisnom kanalu pri malim opterećenjima, povećavajući gubitke pumpanja
- Ovaj vakuum usporava protok plina, narušava kvalitetu punjenja cilindra i prigušuje odziv gasa
- Kontroliranjem opterećenja motora putem hoda ventila umjesto zaklopke, usisni sustav može ostati uglavnom neograničen
Rezultati su značajni. Sustavi varijabilnog hoda bez zaklopke tipično isporučuju:
- Poboljšanje od 8–15% u potrošnji goriva
- Povećanje od 5–15% u vršnoj snazi i okretnom momentu
- Primjetno oštriji odziv gasa, posebno pri niskim brzinama
Elektromagnetska aktivacija ventila
Najnapredniji koncept upravljanja ventilima potpuno zamjenjuje mehaničke bregaste osovine elektromagnetski aktiviranim ventilima. Svaki ventil se neovisno otvara i zatvara elektroničkim solenoidima, dajući upravljačkom sustavu motora potpunu slobodu nad upravljanjem, hodom i trajanjem za svaki pojedini ventil u svakom ciklusu.
Mogućnosti koje to otvara su izvanredne:
- Savršeno optimizirano upravljanje ventilima za svaki broj okretaja i uvjet opterećenja
- Deaktivacija pojedinih cilindara pri vožnji s malim opterećenjem radi uštede goriva
- Dinamičko prebacivanje između ciklusa izgaranja — primjerice, pretvaranje četverotaktnog motora u šesterotaktnu konfiguraciju u hodu
- Potpuno eliminiranje bregaste osovine i s njom povezanih mehaničkih gubitaka
Elektromagnetski ventilski sklopovi ostaju uglavnom u fazi istraživanja i razvoja, ali njihov potencijal za redefiniranje učinkovitosti motora s unutarnjim izgaranjem je značajan. Hoće li dospjeti do masovne proizvodnje u bliskoj budućnosti, ostaje da se vidi.
Zaključak
Varijabilno upravljanje ventilima jedna je od najvažnijih tehnologija u razvoju modernih motora. Prilagođavanjem rada ventila svakom uvjetu vožnje — od praznog hoda u gradu do ubrzavanja punom gasom — VVT sustavi omogućuju inženjerima izradu motora koji su istovremeno snažniji, učinkovitiji i čišći nego što su to ikad mogli biti dizajni s fiksnim upravljanjem.
Unatoč tome, optimizacija upravljanja ventilima ima svoja ograničenja. Daljnje povećanje snage, okretnog momenta i učinkovitosti pri danom radnom volumenu sve više će se oslanjati na druge tehnologije — kombinirane sustave prisilnog punjenja, motore s varijabilnim stupnjem kompresije i alternativna goriva. No to je priča za drugi članak.
Ovo je prijevod. Izvornik možete pročitati ovdje: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Objavljeno siječanj 13, 2022 • 6m za čitanje
