Zmogljivost motorja — vključno z močjo, navorom, porabo goriva in emisijami — je odvisna od desetin natančno uglašenih dejavnikov. Eden najpomembnejših, a pogosto spregledan, je časovanje ventilov: natančen trenutek, ko se sesalni in izpušni ventili odpirajo in zapirajo med vsakim delovnim ciklom motorja. Sistemi spremenljivega časovanja ventilov (VVT) so bili razviti za optimizacijo tega časovanja v vseh pogojih vožnje in so korenito spremenili delovanje sodobnih motorjev.
Kako so ventili krmiljeni v tradicionalnem motorju
V konvencionalnem štiritaktnem motorju z notranjim zgorevanjem sesalne in izpušne ventile poganjajo odmiki odmične gredi. Oblika teh odmikov določa tri ključne lastnosti:
- Časovanje — kdaj se ventil odpre in zapre glede na položaj bata
- Trajanje — kako dolgo ostane ventil odprt (širina faze)
- Dvig — kako daleč se ventil premakne od sedeža
Pri večini tradicionalnih motorjev so te faze fiksne — profil odmične gredi se nikoli ne spremeni, ne glede na to, ali motor teka v prostem teku v prometu ali pospešujete na avtocesti. Ta togost je temeljna omejitev.
Zakaj je fiksno časovanje ventilov težava
Obnašanje plina v valju, sesalnih in izpušnih kanalih se znatno spreminja glede na vrtljaje in obremenitev motorja. Hitrost pretoka se nenehno spreminja, tlačni valovi v sesalnih in izpušnih kanalih pa lahko glede na časovanje bodisi pomagajo bodisi škodijo polnjenju valja. Zato ena sama fiksna nastavitev časovanja ventilov ne more biti optimalna v vseh pogojih delovanja.
Tukaj je, kako se idealno časovanje ventilov razlikuje v dveh pogostih scenarijih:
- Pri prostem teku: Najbolje delujejo ozke faze časovanja ventilov — pozno odpiranje in zgodnje zapiranje z minimalnim ali brez prekrivanja ventilov (kratko obdobje, ko sta hkrati odprti tako sesalni kot izpušni ventil). S tem preprečujemo, da bi izpušni plini bili potiskani nazaj v sesalni kolektor ali da bi nezgorela zmes uhajala v izpuh.
- Pri največji moči: Potrebne so široke faze — ventili bi se morali odpirati prej in ostati odprti dlje, da se v valje vnese največji volumen zmesi zrak-gorivo. Širša faza prekrivanja prav tako učinkoviteje izpira izpušne pline pri visokih vrtljajih.
Konstruktorji motorjev so zato prisiljeni delati težke kompromise. En sam fiksni profil odmične gredi mora hkrati zagotoviti:
- Močan navor v nizkem in srednjem območju vrtljajev
- Sprejemljivo moč pri visokih vrtljajih
- Gladek, stabilen prosti tek
- Dobro porabo goriva in nizke emisije
Izpolniti vse te zahteve z enim statičnim profilom odmice je skoraj nemogoče — in prav zato je bilo spremenljivo časovanje ventilov izumljeno.
Kaj počne spremenljivo časovanje ventilov
Sistemi spremenljivega časovanja ventilov omogočajo, da se obnašanje ventilov motorja v realnem času prilagaja spremenljivim pogojem vožnje. S prilagajanjem faznega časovanja, trajanja in dviga lahko inženirji dramatično preoblikujejo krivuljo moči motorja brez mehanskih kompromisov. Potencialne prednosti vključujejo:
- Povečan navor v širšem območju vrtljajev
- Višja največja moč
- Izboljšana poraba goriva
- Zmanjšane izpušne emisije
- Bolj gladek prosti tek in odziv na plin
Vrste sistemov spremenljivega časovanja ventilov
Fazni premikalniki (fazniki odmične gredi)
Najpogostejši pristop VVT uporablja fazni premikalnik — hidravlično aktivirano sklopko, ki zavrti odmično gred glede na ročično gred. Ko se vrtljaji motorja povečajo, sistem predčasno nastavi sesalno odmično gred, kar povzroči, da se sesalni ventili odprejo prej. To izboljša polnjenje valja pri visokih vrtljajih. Večina izvedb deluje le na sesalni odmični gredi, čeprav dvojni sistemi (kot je BMW Double VANOS) neodvisno prilagajajo tako sesalno kot izpušno časovanje.
Sistemi s spremenljivo širino faze
Naprednejši sistemi gredo onkraj preprostega premikanja faze — lahko jo tudi razširijo ali zožijo. Dobro znan primer je Toyotin sistem VVTL-i, ki uporablja dva profila odmikov na isti gredi:
- Pod 6.000 vrt./min standardna odmična krivulja krmili gibanje ventila
- Nad 6.000 vrt./min prevzame nadzor sekundarna odmična krivulja z agresivnejšim profilom, ki razširi fazo časovanja in poveča dvig ventila
- Ko se motor približa mejnim 8.500 vrt./min, ta prehod prinese značilno naraščanje moči — opazen »drugi dih« med intenzivnim pospeševanjem
Sistemi spremenljivega dviga ventilov
Sprememba trenutka odpiranja ventilov je ena stvar — sprememba kako daleč se odprejo, je druga. Sistemi spremenljivega dviga, kot sta BMW Valvetronic ali Nissan VVEL, omogočajo zvezno prilagajanje dviga sesalnega ventila glede na položaj dušilne lopute.
Ta pristop ponuja pomembno prednost: lahko odpravi potrebo po konvencionalni dušilni loputi. Zakaj je to pomembno:
- Tradicionalna dušilna loputa ustvarja delni vakuum v sesalnem kanalu pri nizkih obremenitvah, kar povečuje izgube črpanja
- Ta vakuum upočasni pretok plina, slabša kakovost polnjenja valja in zavira odziv na plin
- Z nadzorom obremenitve motorja prek dviga ventila namesto dušenja sesalni kanal ostane pretežno neomejen
Rezultati so znatni. Sistemi spremenljivega dviga brez dušilne lopute tipično zagotavljajo:
- 8–15 % izboljšanje porabe goriva
- 5–15 % povečanje tako največje moči kot navora
- Opazno ostrejši odziv na plin, zlasti pri nizkih hitrostih
Elektromagnetno aktiviranje ventilov
Najnaprednejši koncept krmiljenja ventilov v celoti nadomesti mehanske odmične gredi z elektromagnetno aktiviranimi ventili. Vsak ventil se neodvisno odpira in zapira z elektronskimi solenoidi, kar krmilnemu sistemu motorja daje popolno svobodo nad časovanjem, dvigom in trajanjem za vsak posamezni ventil v vsakem ciklu.
Možnosti, ki jih to odpira, so izjemne:
- Popolnoma optimizirano časovanje ventilov za vsake vrtljaje in obremenitev
- Individualna deaktivacija valjev pri lahki obremenitvi za varčevanje z gorivom
- Dinamično preklapljanje med zgorevnimi cikli — na primer pretvorba štiritaktnega motorja v šesttaktno konfiguracijo med vožnjo
- Popolna odprava odmične gredi in z njo povezanih mehanskih izgub
Elektromagnetni ventilski sklopi ostajajo večinoma v fazi raziskav in razvoja, njihov potencial za redefinicijo učinkovitosti motorjev z notranjim zgorevanjem pa je velik. Ali bodo dosegli množično proizvodnjo v bližnji prihodnosti, ostaja odprto vprašanje.
Zaključek
Spremenljivo časovanje ventilov je ena najpomembnejših tehnologij v razvoju sodobnih motorjev. S prilagajanjem obnašanja ventilov vsakemu pogoju vožnje — od prostega teka v mestu do polnega pospeševanja — sistemi VVT omogočajo inženirjem, da razvijejo motorje, ki so hkrati zmogljivejši, učinkovitejši in okolju prijaznejši, kot bi kdaj koli mogli biti z dizajni s fiksnim časovanjem.
Vseeno ima optimizacija časovanja ventilov svoje meje. Nadaljnje pridobivanje moči, navora in učinkovitosti iz dane prostornine bo vse bolj odvisno od drugih tehnologij — kombiniranih sistemov prisilnega polnjenja, motorjev s spremenljivim kompresijskim razmerjem in alternativnih goriv. Toda to je zgodba za drug članek.
To je prevod. Original si lahko preberete tukaj: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Objavljeno januar 13, 2022 • 6m za branje
