Dzinēja veiktspēja — tostarp jaudas izvade, griezošais moments, degvielas efektivitāte un izmešu daudzums — ir atkarīga no desmitiem precīzi noregulētu faktoru. Viens no vissvarīgākajiem, taču bieži vien aizmirstajiem, ir vārstu sadales laiks: precīzs brīdis, kad ieplūdes un izplūdes vārsti atveras un aizveras katra dzinēja cikla laikā. Mainīgā vārstu sadales laika (VVT) sistēmas tika izstrādātas, lai optimizētu šo sadales laiku visos braukšanas apstākļos, un tās ir revolucionāri mainījušas mūsdienu dzinēju darbību.
Kā vārsti tiek kontrolēti tradicionālā dzinējā
Parastā četrtaktu iekšdedzes dzinējā ieplūdes un izplūdes vārsti tiek darbināti ar ekscentrvārpstas izciļņiem. Šo izciļņu forma nosaka trīs galvenās īpašības:
- Sadales laiks — kad vārsts atveras un aizveras attiecībā pret virzuļa stāvokli
- Ilgums — cik ilgi vārsts paliek atvērts (fāzes platums)
- Pacēlums — cik tālu vārsts pārvietojas no sava sēdekļa
Lielākajā daļā tradicionālo dzinēju šīs fāzes ir fiksētas — ekscentrvārpstas profils nemainās neatkarīgi no tā, vai dzinējs darbojas tukšgaitā pilsētas sastrēgumos vai paātrina uz šosejas. Šī stingrība ir būtisks ierobežojums.
Kāpēc fiksētais vārstu sadales laiks ir problēma
Gāzes uzvedība cilindrā, ieplūdes kanālos un izplūdes kanālos ievērojami mainās atkarībā no dzinēja apgriezieniem un slodzes. Plūsmas ātrums nepārtraukti mainās, un spiediena viļņi ieplūdes un izplūdes kanālos var palīdzēt vai traucēt cilindra pildīšanai atkarībā no sadales laika. Tāpēc viens fiksēts vārstu sadales laika iestatījums nevar būt optimāls visos darba apstākļos.
Lūk, kā ideālais vārstu sadales laiks atšķiras divos izplatītos scenārijos:
- Tukšgaitā: Vislabāk darbojas šauras vārstu sadales laika fāzes — vēla atvēršana un agrīna aizvēršana ar minimālu vai nekādu vārstu pārklāšanos (īss brīdis, kad vienlaicīgi ir atvērti gan ieplūdes, gan izplūdes vārsti). Tas novērš izplūdes gāzu atgriešanos ieplūdes kolektorā vai neapdegušā maisījuma aizbēgšanu izplūdē.
- Pie maksimālās jaudas: Nepieciešamas plašas fāzes — vārstiem jāatveras agrāk un jāpaliek atvērtiem ilgāk, lai cilindrā iekļūtu maksimālais gaisa un degvielas maisījuma daudzums. Plašāka pārklāšanās fāze arī palīdz efektīvāk izskalot izplūdes gāzes pie augstiem apgriezieniem.
Tāpēc dzinēju projektētāji ir spiesti veikt grūtus kompromisus. Vienam fiksētam ekscentrvārpstas profilam vienlaikus jānodrošina:
- Spēcīgs griezošais moments zemā un vidējā apgriezienu diapazonā
- Pieņemama jauda augstā apgriezienu diapazonā
- Vienmērīga, stabila tukšgaita
- Laba degvielas ekonomija un zemi izmešu rādītāji
Visas šīs prasības apmierināt ar vienu statisku ekscentrvārpstas profilu ir gandrīz neiespējami — tieši tāpēc tika izgudrots mainīgais vārstu sadales laiks.
Ko dara mainīgais vārstu sadales laiks
Mainīgā vārstu sadales laika sistēmas ļauj dzinēja vārstu darbībai reāllaikā pielāgoties mainīgajiem braukšanas apstākļiem. Regulējot fāzes sadales laiku, ilgumu un pacēlumu, inženieri var būtiski pārveidot dzinēja jaudas raksturlīkni bez mehāniskiem kompromisiem. Iespējamās priekšrocības ietver:
- Palielināts griezošais moments plašākā apgriezienu diapazonā
- Augstāka maksimālā jauda
- Uzlabota degvielas ekonomija
- Samazināti izplūdes izmešu rādītāji
- Vienmērīgāka tukšgaita un droseļvārsta reakcija
Mainīgā vārstu sadales laika sistēmu veidi
Fāžu pārslēdzēji (ekscentrvārpstas fāzētāji)
Visizplatītākā VVT pieeja izmanto fāžu pārslēdzēju — hidrauliski darbinātu sajūgu, kas pagriež ekscentrvārpstu attiecībā pret kloķvārpstu. Pieaugot dzinēja apgriezieniem, sistēma uzlabo ieplūdes ekscentrvārpstas fāzi, liekot ieplūdes vārstiem atvērties agrāk. Tas uzlabo cilindra pildīšanu pie augstiem apgriezieniem. Lielākā daļa implementāciju darbojas tikai ar ieplūdes ekscentrvārpstu, lai gan dubultā ekscentrvārpstas sistēmas (piemēram, BMW Double VANOS) regulē gan ieplūdes, gan izplūdes sadales laiku neatkarīgi.
Mainīgās fāzes platuma sistēmas
Modernākas sistēmas iet tālāk par vienkāršu fāzes maiņu — tās var arī paplašināt vai sašaurināt fāzi. Labi pazīstams piemērs ir Toyota VVTL-i sistēma, kas izmanto divus ekscentrvārpstas profilus uz vienas vārpstas:
- Zem 6 000 apgr./min. standarta ekscentrvārpstas izciļnis kontrolē vārsta kustību
- Virs 6 000 apgr./min. pārņem sekundārais ekscentrvārpstas izciļnis ar agresīvāku profilu, paplašinot sadales laika fāzi un palielinot vārsta pacēlumu
- Tuvojoties dzinēja 8 500 apgr./min. maksimālajai robežai, šī pāreja nodrošina raksturīgu jaudas uzliesmojumu — pamanāmu “otro elpu” intensīvas paātrināšanas laikā
Mainīgā vārsta pacēluma sistēmas
Mainīt to, kad vārsti atveras, ir viena lieta — mainīt, cik tālu tie atveras, ir cita lieta. Mainīgā pacēluma sistēmas, piemēram, BMW Valvetronic vai Nissan VVEL, ļauj nepārtraukti regulēt ieplūdes vārsta pacēlumu atkarībā no droseļvārsta stāvokļa.
Šai pieejai ir būtiska priekšrocība: tā var novērst nepieciešamību pēc parastā droseļvārsta. Lūk, kāpēc tas ir svarīgi:
- Tradicionālais droseļvārsts pie zemas slodzes ieplūdes traktā rada daļēju vakuumu, palielinot sūknēšanas zudumus
- Šis vakuums palēnina gāzes plūsmu, pasliktina cilindra pildīšanas kvalitāti un vājina droseļvārsta reakciju
- Kontrolējot dzinēja slodzi ar vārsta pacēluma palīdzību, ieplūde var palikt lielākoties neierobežota
Rezultāti ir ievērojami. Droseļvārstu neizmantojošas mainīgā pacēluma sistēmas parasti nodrošina:
- 8–15% uzlabojumu degvielas ekonomijā
- 5–15% pieaugumu gan maksimālajā jaudā, gan griezošajā momentā
- Ievērojami asāka droseļvārsta reakcija, īpaši pie zemiem ātrumiem
Elektromagnētiskā vārstu darbināšana
Visprogresīvākā koncepcija vārstu kontrolē mehāniskās ekscentrvārpstas pilnībā aizstāj ar elektromagnētiski darbināmiem vārstiem. Katrs vārsts tiek atvērts un aizvērts neatkarīgi ar elektronisku solenoīdu palīdzību, dodot dzinēja vadības sistēmai pilnīgu brīvību pār sadales laiku, pacēlumu un ilgumu katram atsevišķam vārstam katrā ciklā.
Iespējas, ko tas paver, ir iespaidīgas:
- Pilnībā optimizēts vārstu sadales laiks katram apgriezienu skaitam un slodzes apstāklim
- Atsevišķu cilindru deaktivācija pie zemas slodzes braukšanas degvielas taupīšanai
- Dinamiska pārslēgšanās starp sadegšanas cikliem — piemēram, četrtaktu dzinēja pārvēršana seštaktu konfigurācijā reāllaikā
- Pilnīga ekscentrvārpstas un ar to saistīto mehānisko zudumu likvidēšana
Elektromagnētiskie vārstu mehānismi lielākoties joprojām atrodas pētniecības un izstrādes fāzē, taču to potenciāls pārdefinēt iekšdedzes dzinēju efektivitāti ir ievērojams. Vai tuvākajā nākotnē tie sasniegs masveida ražošanu — to vēl redzēsim.
Kopsavilkums
Mainīgais vārstu sadales laiks ir viena no ietekmīgākajām tehnoloģijām mūsdienu dzinēju attīstībā. Pielāgojot vārstu darbību visiem braukšanas apstākļiem — no tukšgaitas pilsētā līdz braukšanai ar pilnu gāzi — VVT sistēmas ļauj inženieriem radīt dzinējus, kas vienlaikus ir jaudīgāki, efektīvāki un tīrāki nekā fiksētā sadales laika dizaini jebkad varēja būt.
Tomēr vārstu sadales laika optimizācijai ir savas robežas. Turpmāki ieguvumi jaudā, griezošajā momentā un efektivitātē no dotā tilpuma arvien vairāk būs atkarīgi no citām tehnoloģijām — kombinētām piespiedu iesūkšanas sistēmām, mainīgā saspiešanas pakāpes dzinējiem un alternatīvajām degvielām. Taču tas ir stāsts citam rakstam.
Šis ir tulkojums. Oriģinālu var lasīt šeit: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Publicēts janvāris 13, 2022 • 6min lasīšanai
