Zmienne fazy rozrządu

Zmienne fazy rozrządu

Silniki spalinowe z zasady swojego działania i budowy są bardzo niedoskonałe. Nie dosyć, że ich sprawność mechaniczna jest tragicznie niska (sięga ok 30% w przypadku silników benzynowych), to dostarcza innych zmartwień konstruktorom.

Jednym z nich jest niewątpliwie odpowiednie dostarczenie mieszanki, przy czym istotna jest tutaj zarówno jego ilość, jak czas w którym musi może wpływać do cylindra. Warto zaznaczyć, że w silnikach zasilanych benzyną parametry te są różne dla niskich oraz wysokich obrotów.
Za przepływ mieszanki palnej z układu dolotowego do cylindra silnika odpowiadają zawory. Czas ich otwarcia, wznios, oraz prędkości otwierania i zamykania wynikają bezpośrednio z kształtu krzywki osadzonej na wałku rozrządu. Zapewnia ona silnikowi najwłaściwszą ilość mieszanki jedynie przy pewnej prędkości obrotowej, czy też w niewielkim zakresie obrotów. Zmuszało to konstruktorów do pójścia na kompromis. W związku z rozwojem silników benzynowych, zwłaszcza wysokoobrotowych, zaczęto myśleć w jaki sposób należy zapewnić lepsze napełnienie cylindra w szerszym przedziale obrotów. Efektem prac badawczych w tym kierunku są różne systemy zmiennych faz rozrządu.

Pierwszymi pomysłami, zapewniającymi stopniowe zmiany parametrów pracy zaworów dolotowych były systemy wykorzystujące kilka krzywek o różnych kształtach zarysu. Za ich przełączanie był odpowiedzialny układ elektroniczny, który sterował przepływem specjalnego oleju przez kanały w popychaczach dźwigni zaworowych. Dla wolnych obrotów krzywka powoduje mniejszy wznios zaworu oraz krótszy czas jego otwarcia, przy większych obrotach parametry te są większe (co pozwala na szybsze zasysanie mieszanki). Na takiej zasadzie działa wprowadzony w latach osiemdziesiątych i dziś dość powszechny system VTEC Hondy. Występuje on w wersjach 2 lub 3 stopniowych (ilość stopni odpowiada ilości krzywek wykorzystywanych do sterowania jednym zaworem).

Innym sposobem jest możliwość zmiany kąta fazowego, a więc momentu otwarcia zaworów. Efekt tego rozwiązania jest jednak niewielki. Ze względu na obrót całego wałka uzyskujemy wcześniejsze, bądź późniejsze otwarcie, lecz poprzez operowanie cały czas tą samą krzywką nie zmieniamy całkowitego czasu otwarcia dolotu. Takie systemy występują zarówno jako stopniowe jak i płynne. Jako przykład może posłużyć używany przez BMW system Vanos. System pod względem mechanicznym jest bardzo prosty. Na końcu wałka rozrządu nacięty jest wielowypust, umieszczony pod kątem w stosunku do osi wałka. Zamontowana na nim nakrętka z wielowypustem zorientowanym równolegle z osią może się przesuwać wzdłuż tej osi. Ponieważ nakrętka nie ma możliwości obrotu, przesuwając się wzdłuż osi wałka wymusza jego obrót. Położenie nakrętki jest sterowane hydraulicznie.

Podobna jest zasada działania firmowanego przez Toyotę systemu VVT-i, znanego zarówno z Yarisa, jak i Celiki. W tym przypadku sterowanie hydraulicznym systemem przesuwania nakrętki zależy nie tylko od prędkości obrotowej silnika, ale również od prędkości, biegu, czy pochylenia terenu.
Jak można wywnioskować po zaprezentowanych przykładach sytuacja konstruktorów układów rozrządu nie jest wesoła. Oczekuje się od nich aby połączyli ogień z wodą. Niskie zużycie paliwa przy niskich obrotach, szybkie napełnianie dużą ilością mieszanki przy wysokich. A wszystko przy wykorzystaniu elementów mechanicznych, a więc o określonym kształcie. Pocieszeniem może być fakt, że zastosowanie zmiennych faz rozrządu pozwala wykorzystać system EGR (Exhaust Gas Recirculation) – ponowne wykorzystanie spalin w procesie spalania, co powoduje obniżenie ich toksyczności. Zwiększenie zakresu regulacji zarówno wzniosu jak i czasów otwarcia zaworów przyniosą prawdopodobnie dopiero systemy elektrycznego sterowania zaworów. Warto o tym pamiętać, ponieważ niektórzy producenci już zaczynają wspominać.

Tomasz Jasnos
Foto: BMW, Honda, Toyota

11.12.2007

Od redakcji: Przybliżenie tej tematyki może być interesujące i znakomicie wyjaśnić nowości i trendy jakie nurtują konstruktorów i technologów.