Opracował: Michał Drózd

grupa: Z-35

TEMAT: Regulacja fazami rozrządu.

Układem rozrządu do niedawna nie można było sterować elastycznie - czasy napełniania cylindra świeżą mieszanką i opróżniania go ze spalin były stałe, niezależnie od obrotów silnika i jego obciążenia. Problem z układem rozrządu polega na tym, że fazy rozrządy a więc czas otwarcia zaworów oraz moment ich otworzenia i zamknięcia powinny się zmieniać płynie w zależności od chwilowych warunków pracy jednostki napędowej, bardzo podobnie jak czyni to układ zapłonowy. Niestety układ rozrządu jest czysto mechaniczny i o momencie oraz czasie (liczonym w stopniach obrotu wału korbowego) otwarcia zaworu decyduje kształt krzywki wałka rozrządu.

Inżynierowie musieli iść na kompromisy przy konstruowaniu krzywek. Przykładowo w vanach czasy otwarcia nieznacznie zachodziły na siebie, aby moc wzrastała na niskich obrotach. Zwykłe samochody osobowe miały czasy otwarcia najlepiej przystosowane do średnich obrotów tak, aby nie ucierpiała na tym elastyczność silnika na niskich obrotach ani moc na wysokich. W silnikach wyścigowych czasy otwarcia zaworów nachodziły znacznie na siebie, co zapewniało dużą moc na wysokich obrotach. Niezależnie od przeznaczenia pojazdu, krzywki były dostosowane do jednego tylko zakresu obrotów. 

Idea zmiennych faz rozrządu polega na wcześniejszym bądź późniejszym, w odniesieniu do kąta obrotu wału korbowego, otwarciu i zamknięciu zaworu. Czasy i momenty otwarcia zaworów dolotowych i wylotowych są kontrolowane przez kształt oraz kąt fazowy krzywek wałka rozrządu. Aby ilość powietrza była optymalna, czasy i momenty otwarcia zaworów muszą być różne przy różnych prędkościach obrotowych. Kiedy obroty silnika wzrastają czasy trwania suwu ssania i wydechu zmniejszają się tak, że świeże powietrze przepływa zbyt wolno aby napełnić komorę spalania, podczas gdy spaliny nie nadążają opuszczać komór spalania. Dlatego też najlepszym rozwiązaniem jest wcześniejsze otwieranie zaworów dolotowych i późniejsze zamykanie zaworów wylotowych. Innymi słowy, nachodzenie na siebie czasów otwarcia zaworów dolotowych i wylotowych powinno się zwiększać wraz ze wzrostem obrotów. 

Zastosowanie zmiennych faz rozrządu nie służy jedynie zwiększaniu mocy silnika. Bardzo ważnym powodem jest również ograniczenie zużycia paliwa a zatem obniżenie emisji substancji toksycznych.

System zmiennych faz rozrządu Hondy VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control).

3-stopniowy VTEC Hondy

Najnowsza 3-stopniowa odmiana VTEC Hondy została zastosowana w japońskiej wersji Civica z silnikiem SOHC. Mechanizm ten posiada 3 krzywki o różnym kształcie i zaokrągleniu. Należy zwrócić uwagę, że ich wymiary są także różne - środkowa krzywka (długi czas otwarcia, wysoki wznios) jest największa; prawa krzywka (krótki czas otwarcia, średni wznios) jest średnich rozmiarów; lewa krzywka (krótki czas otwarcia, niski wznios) jest najmniejsza.

Mechanizm pracuje w następujący sposób:

• Faza 1 ( niskie obroty) : Wszystkie 3 dźwignie zaworowe poruszają się niezależnie. Lewa dźwignia zaworowa, która steruje lewym zaworem dolotowym, jest napędzana lewą krzywką o niskim wzniosie. Prawa dźwignia zaworowa, sterująca prawym zaworem dolotowym, jest napędzana prawą krzywką o średnim wzniosie. Czasy otwarcia obu zaworów są stosunkowo krótkie w porównaniu do krzywki środkowej, która w tym czasie nie steruje żadnym zaworem.

• Faza 2 ( średnie obroty) : pod wpływem ciśnienia hydraulicznego oleju (kolor pomarańczowy na rysunku) zostaje spięta lewa i prawa krzywka, pomijając środkową krzywkę i dźwignię zaworową. Ponieważ prawa krzywka jest większa od lewej, połączone razem dźwignie zaworowe są de facto napędzane prawą krzywką. W efekcie obydwa zawory dolotowe mają krótkie czasy otwarcia lecz średnie wzniosy.

• Faza 3 ( wysokie obroty ) : pod wpływem ciśnienia hydraulicznego oleju wszystkie 3 dźwignie zaworowe zostają spięte razem. Ponieważ środkowa krzywka jest największa, obydwa zawory dolotowe są w rzeczywistości nią napędzane. W ten sposób otrzymujemy długie czasy otwarcia i wysoki wznios w obu zaworach dolotowych.

Toyota VVTL-i : zmienne fazy VVT plus zmienny wznios

System VVTL-i Toyoty jest najbardziej złożonym systemem VVT. Jego możliwości są następujące:

• płynnie zmienne fazy rozrządu oraz zmienne czasy otwarcia zaworów

• 2-stopniowy wznios zaworów plus zmienne czasy otwarcia zaworów działa zarówno na zaworach dolotowych jak i wylotowych

System ten można rozpatrywać jako połączenie wcześniej istniejących systemów VVT-i i VTEC, choć system regulacji wzniosu różni się od hondowskiego oryginału.

Podobnie jak w VVT-i, zmienne momenty otwarcia zaworów uzyskuje się poprzez przesunięcie kąta fazowego całego wałka rozrządu w przód lub wstecz przy pomocy hydraulicznego popychacza umieszczonego na końcu wałka. Momenty otwarcia zaworów są obliczane przez elektronikę silnika w zależności od obrotów, prędkości i nachylenia terenu. Co więcej, zakres płynnej regulacji przesunięcia kąta wynosi 60°, co czyni mechanizm zmiennych faz najdoskonalszym systemem jaki dotąd został opracowany.

Czymś, co sprawia, że VVTL-i stoi o poziom wyżej w porównaniu do zwykłego VVT-i jest literka "L", która oznacza Lift (wznios). Spójrzmy na przykładowy rysunek:

Podobnie jak w VTEC-u, system Toyoty używa jednej dźwigni zaworowej do sterowania obydwoma zaworami dolotowymi (lub wylotowymi). Wałek rozrządu posiada 2 krzywki o różnych profilach, oddziaływujące na dźwignię. Jedna z nich jest wyprofilowana w taki sposób, aby umożliwić dłuższy czas otwarcia zaworu (przy wyższych obrotach), natomiast druga ma profil dostosowany do krótszych czasów otwarcia (przy niskich obrotach). Krzywka stosowana przy wysokich obrotach nie wpływa na dźwignię przy niskich obrotach ponieważ pod hydraulicznym popychaczem jest wystarczająco dużo miejsca, aby mogła ona się swobodnie obracać.

Gdy obroty wzrastają do pewnej wartości krytycznej, ruchoma podkładka zostaje wepchnięta za pomocą ciśnienia hydraulicznego w wolne miejsce pod popychacz. Wtedy uaktywnia się krzywka wysokoobrotowa. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż krzywka zapewnia dłuższe czasy otwarcia zaworów, natomiast ruchoma podkładka zwiększa ich wznios (w przypadku systemu VTEC, zarówno czas otwarcia jak i wznios są regulowane krzywkami).

Oczywiście, zmienny czas otwarcia zaworów jest w tym wypadku systemem 2-stopniowym, w przeciwieństwie do ciągłego rozwiązania Rovera. Jednakże VVTL-i oferuje zmienny wznios, co ma znacznie większy wpływ na moc na wysokich obrotach. W porównaniu do VTEC-a i podobnych konstrukcji stosowanych przez Nissana i Mitsubishi, system Toyoty o płynnie zmiennych fazach rozrządu pozwala na osiągnięcie dużo lepszej elastyczności na niskich i średnich obrotach. Dlatego też jest to bez wątpienia najlepszy system zmiennych faz rozrządu, choc niestety jest to okupione wyższym stopniem komplikacji mechanizmu oraz wyższymi kosztami produkcji.

Korzyści płynące z VVT w zakresie spalania i emisji spalin

Teoretycznie maksymalne zachodzenie na siebie czasów otwarcia zaworów dolotowych i wylotowych jest wymagane przy wysokich obrotach. W przypadku, gdy samochód jedzie na średnich obrotach na autostradzie, czyli przy małym obciążeniu, maksymalne zachodzenie czasów otwarcia można wykorzystać do zmniejszenia spalania paliwa i emisji spalin. Ponieważ zawory wylotowe zamykają się w chwili, gdy zawory dolotowe są już otwarte przez jakiś czas, część spalin jest wykorzystywana do ponownego napełnienia cylindrów wraz ze świeżą mieszanką paliwowo-powietrzną. Ponieważ część świeżej mieszanki jest zastąpiona przez spaliny, potrzebne jest mniej paliwa. Spaliny składają się w większości z niepalnych gazów jak CO2, silnik pracuje poprawnie na uboższej mieszance bez ryzyka zgaśnięcia.

---