Výkon motora — vrátane výstupného výkonu, krútiaceho momentu, spotreby paliva a emisií — závisí od desiatok presne naladených faktorov. Jedným z najdôležitejších, no často prehliadaným, je časovanie ventilov: presný okamih, kedy sa nasávacie a výfukové ventily otvárajú a zatvárajú počas každého pracovného cyklu motora. Systémy variabilného časovania ventilov (VVT) boli vyvinuté na optimalizáciu tohto časovania vo všetkých jazdných podmienkach a zásadne zmenili výkonnosť moderných motorov.
Ako sú ventily riadené v tradičnom motore
V konvenčnom štvortaktnom spaľovacom motore sú nasávacie a výfukové ventily ovládané vačkami vačkového hriadeľa. Tvar týchto vačiek určuje tri kľúčové charakteristiky:
- Časovanie — kedy sa ventil otvára a zatvára vzhľadom na polohu piestu
- Trvanie — ako dlho zostáva ventil otvorený (šírka fázy)
- Zdvih — ako ďaleko sa ventil pohybuje od sedla
Vo väčšine tradičných motorov sú tieto fázy pevne nastavené — profil vačkového hriadeľa sa nikdy nemení, bez ohľadu na to, či motor beží na voľnobeh v premávke alebo zrýchľujete na diaľnici. Táto strnulosť je základným obmedzením.
Prečo je pevné časovanie ventilov problémom
Správanie plynov vo valci, sacích a výfukových kanáloch sa výrazne mení v závislosti od otáčok a zaťaženia motora. Rýchlosť prúdenia sa neustále mení a tlakové vlny v sacích a výfukových kanáloch môžu plnenie valca buď zlepšovať, alebo zhoršovať v závislosti od časovania. Z tohto dôvodu jedno pevné nastavenie časovania ventilov nemôže byť optimálne vo všetkých prevádzkových podmienkach.
Tu je, ako sa ideálne časovanie ventilov líši v dvoch bežných scenároch:
- Pri voľnobehu: Najlepšie fungujú úzke fázy časovania ventilov — neskoré otvorenie a skoré zatváranie, s minimálnym alebo žiadnym prekrytím ventilov (krátke obdobie, keď sú súčasne otvorené nasávacie aj výfukové ventily). Toto zabraňuje tomu, aby výfukové plyny boli vytláčané späť do sacieho potrubia alebo aby nezhorená zmes unikala do výfuku.
- Pri maximálnom výkone: Sú potrebné široké fázy — ventily by sa mali otvárať skôr a zostávať otvorené dlhšie, aby sa do valcov dostalo maximálne množstvo zmesi paliva a vzduchu. Širšia fáza prekrytia tiež pomáha účinnejšie odsávať výfukové plyny pri vysokých otáčkach.
Konštruktéri motorov sú preto nútení robiť ťažké kompromisy. Jeden pevný profil vačkového hriadeľa musí súčasne zabezpečiť:
- Silný krútiaci moment v nízkych a stredných otáčkach
- Prijateľný výkon pri vysokých otáčkach
- Hladký, stabilný voľnobeh
- Dobrú spotrebu paliva a nízke emisie
Splniť všetky tieto požiadavky s jedným statickým profilom vačky je takmer nemožné — a presne preto bolo variabilné časovanie ventilov vynájdené.
Čo robí variabilné časovanie ventilov
Systémy variabilného časovania ventilov umožňujú, aby sa správanie ventilov motora v reálnom čase prispôsobovalo meniacim sa jazdným podmienkam. Úpravou časovania fázy, trvania a zdvihu môžu inžinieri výrazne zmeniť výkonovú krivku motora bez mechanických kompromisov. Potenciálne výhody zahŕňajú:
- Zvýšený krútiaci moment v širšom rozsahu otáčok
- Vyšší špičkový výkon
- Zlepšená spotreba paliva
- Znížené výfukové emisie
- Hladší voľnobeh a reakcia na plyn
Typy systémov variabilného časovania ventilov
Fázové posunovače (vačkové fázovače)
Najbežnejší prístup VVT využíva fázový posunovač — hydraulicky ovládanú spojku, ktorá otáča vačkový hriadeľ voči kľukovému hriadeľu. Pri zvyšovaní otáčok motora systém predstihuje nasávací vačkový hriadeľ, čo spôsobuje, že nasávacie ventily sa otvárajú skôr. Tým sa zlepšuje plnenie valca pri vysokých otáčkach. Väčšina implementácií pracuje iba na nasávacom vačkovom hriadeli, hoci dvojité systémy (ako napríklad BMW Double VANOS) nezávisle upravujú časovanie nasávania aj výfuku.
Systémy s variabilnou šírkou fázy
Pokročilejšie systémy nejdú iba za hranice posúvania fázy — dokážu ju tiež rozširovať alebo zužovať. Dobre známym príkladom je systém Toyota VVTL-i, ktorý využíva dva profily vačiek na rovnakom hriadeli:
- Pod 6 000 ot./min ovláda pohyb ventilu štandardná vačka
- Nad 6 000 ot./min preberá riadenie sekundárna vačka s agresívnejším profilom, ktorá rozširuje fázu časovania a zvyšuje zdvih ventilu
- Keď sa motor blíži k limitu 8 500 ot./min, táto zmena prináša charakteristický nárast výkonu — znateľný „druhý dych” pri prudkom zrýchľovaní
Systémy variabilného zdvihu ventilov
Zmena momentu otvorenia ventilov je jedna vec — zmena ako ďaleko sa otvárajú je iná. Systémy variabilného zdvihu, ako napríklad BMW Valvetronic alebo Nissan VVEL, umožňujú plynulé nastavenie zdvihu nasávacieho ventilu na základe polohy škrtiacej klapky.
Tento prístup ponúka významnú výhodu: môže eliminovať potrebu konvenčnej škrtiacej klapky. Tu je dôvod, prečo je to dôležité:
- Tradičná škrtiaca klapka vytvára čiastočné vákuum v sacom kanáli pri nízkom zaťažení, čo zvyšuje straty čerpania
- Toto vákuum spomaľuje prúdenie plynov, zhoršuje kvalitu plnenia valca a znecitlivuje reakciu na plyn
- Riadením záťaže motora prostredníctvom zdvihu ventilov namiesto škrtenia môže sací kanál zostať vo veľkej miere neobmedzený
Výsledky sú podstatné. Bezklapkové systémy variabilného zdvihu zvyčajne poskytujú:
- 8–15% zlepšenie spotreby paliva
- 5–15% nárast špičkového výkonu aj krútiaceho momentu
- Výrazne ostrejšia reakcia na plyn, najmä pri nízkych rýchlostiach
Elektromagnetické ovládanie ventilov
Najpokročilejší koncept riadenia ventilov úplne nahrádza mechanické vačkové hriadele elektromagneticky ovládanými ventilmi. Každý ventil je nezávisle otváraný a zatváraný elektronickými solenoidmi, čím systém riadenia motora získava úplnú slobodu nad časovaním, zdvihom a trvaním pre každý jednotlivý ventil v každom cykle.
Možnosti, ktoré to otvára, sú pozoruhodné:
- Dokonale optimalizované časovanie ventilov pre každé otáčky a záťaž
- Individuálne deaktivovanie valcov pri ľahkej záťaži na úsporu paliva
- Dynamické prepínanie medzi spaľovacími cyklami — napríklad konverzia štvortaktného motora na šesťtaktný za jazdy
- Úplné odstránenie vačkového hriadeľa a súvisiacich mechanických strát
Elektromagnetické rozvody zostávajú vo veľkej miere vo fáze výskumu a vývoja, ale ich potenciál na redefinovanie účinnosti spaľovacích motorov je značný. Či sa dočkajú sériovej výroby v blízkej budúcnosti, zostáva otázkou.
Záver
Variabilné časovanie ventilov je jednou z najvplyvnejších technológií v modernom vývoji motorov. Prispôsobením správania ventilov každej jazdnej podmienke — od voľnobehu v meste až po plné zrýchľovanie — umožňujú systémy VVT inžinierom dodávať motory, ktoré sú súčasne výkonnejšie, úspornejšie a čistejšie, než by mohli byť konštrukcie s pevným časovaním.
Optimalizácia časovania ventilov má však svoje hranice. Ďalšie zvyšovanie výkonu, krútiaceho momentu a účinnosti z daného objemu bude čoraz viac závisieť od iných technológií — kombinovaných systémov preplňovania, motorov s variabilným kompresným pomerom a alternatívnych palív. To je však téma pre iný článok.
Toto je preklad. Originál si môžete prečítať tu: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Publikované január 13, 2022 • 6m na čítanie
