VVT (Variable Valve Timing): varijator faze ventila, povećava snagu i elastičnost

VVT promjenom vremena otvaranja ventila povećava elastičnost benzinskog (otto) motora kod nižih okretaja i snagu kod visokih, ubrzava odziv na gas te se razmjerno smanjuje potrošnju gorivu – uz istu potrošnju motor bolje vuče…

Prvi jednostavni mehanizam s dvostrukim podizačima ventila, koji su se namještali polugom (dok motor stoji) 1902. je konstruirao Louis Renault. Tada su motori bili sporohodni i manje opterećeni, smjesa plinova strujala je kroz usisne kanale znatno sporije i učinci promjenljivog upravljanja ventila bili su zanemarivi.

Zbog toga se idućih nekoliko desetljeća gotovo zaboravilo na ovu ideju. Ipak, krajem četrdesetih godina tvrtka Simpson-Dalzel konstruirala je ventilski sklop s bregastom osovinom koja se aksijalno pomicala hidrauličnim mehanizmom, a brjegovi su joj bili konusnog oblika. Pomicanje konusnog brijega u dodir s podizačem došao bi profil većeg presjeka što bi produžavalo vrijeme otvorenosti ventila.

Promjena faze ventila temelji se na promjeni relativnih vremena usisnih i ispušnih ventila, ali ne i njihovog pojedinačnog trajanja. Evo slikovitog objašnjenja, za određenu brzinu vrtnje motora:

Ako bi se usisni ventili otvarali na početku prve stotinke sekunde, od vremena kad je klip u GMT (gornjoj mrtvoj točki) i zatvarali na početku druge, a ispušni otvarali na početku treće i zatvarali na početku četvrte stotinke sekunde, VVT to može promijeniti da se usisni ventili otvaranu na početku druge stotinke sekunde, a zatvaraju na početku treće, a ispušni i dalje otvarali na početku treće i zatvarali na početku četvrte stotinke sekunde. Dakle vremena otvorenosti ostaju ista (stotinku sekunde), ali bi se razmak između zatvaranja usisnih ventila i otvaranja ispušnih, s jedne stotinke sekunde smanjio na nulu. Jasno?

Zbog toga je VVT moguć samo kod motora s dva bregasta vratila (DOHC), a s jednim bregastim vratilom (SOHC) je moguć, ali ne bi imao efekta – mijenjao bi karakteristika motora, ali ne bi donio poboljšanja. VVT je moguć samo s varijatorom faze usisnih ventila, a ako se varijator ugradi i na bregasto vratilo ispušnih ventila (Dual VVT). No, ako uzmemo u razmatranje te poboljšane karakteristike, da Dual VVT ima efekt 100 za cijenu 100, običan VVT daje 90 za cijenu 50 – daje 90 posto karakteristika u pola cijene.

Prvi sustav VVT 1980. je ugradio Alfa Romeo Spider. Osnova mehanizma (varijatora) je cilindrična komora koja sadrži tlačnu komoru i klip, sa zavojnim zavojima. Tlak motornog ulja pomiče unutarnji klip koji se lagano okreće zbog zavojnih zavojnica i pomiče zakrenutost bregastog vratila, prema lančaniku koji ga pokreće, unaprijed do 25 stupnjeva.

Protok ulja do varijatora kontrolira se elektromagnetskim ventilom. Kada brzina motora dosegne određenu brzinu vrtnje, obično 1500-2000/min, otvara se elektromagnetski ventil, pa se ulje pod tlakom usmjerava kroz ulazno bregasto osovinu u varijator. Položaj ulaznog bregastog vratila napreduje za 25 stupnjeva, čime se povećava preklapanje ventila.

Porsche je razvio sustav VarioCam bregasto vratilo ispušnih ventila jednim je lancem povezana s radilicom, te ima nepromjenjivo vrijeme otvaranja ventila, a drugim lancem s bregastim vratilom usisnih ventila. U sredini je postavljen dvostrani zatezač lanca koji se pomiče elektromagnetskim hidrauličkim mehanizmom te mijenja dužinu pogonskog dijela lanca i relativni položaj bregastih osovina. Tako se postiže ranije ili kasnije otvaranje (i zatvaranje) usisnih ventila bez izmjene dužine vremena otvaranja.

Zbog čega se, uopće, razmjerno zakreće bregasto vratilo, odnosno mijenja faza otvaranja ventila? Osnovna je ideja da se izmjenom faze otvaranja i zatvaranja ventila poveća učinkovitost termodinamičkog procesa u motoru na prijelazu iz četvrtog u prvi i prvog u drugi takt.

 

Na kraju četvrtog takta plinovi izgaranja izlaze iz cilindra kroz otvorene ispušne ventile, a nakon što klip dođe u gornju mrtvu točku počinje prvi takt i smjesa zraka i rasplinjenog goriva kroz otvorene usisne ventile ulazi u cilindar. Kod manje opterećenih motora nema preklapanja u otvorenosti ispušnih i usisnih ventila i to je ‘normalni’ radni ciklus.

Kod brzohodnih sportskih motora produžuju se vremena otvorenosti ventila da bi što veća količina plinova ušla i izašla iz cilindara. Na kraju četvrtog i na početku prvog takta neko su vrijeme otvoreni i ispušni i usisni ventili. Tako dio ispušnih plinova ulazi u usisne kanale te se naknadno vraća i ponovo sagorijeva u cilindru.

Isto se događa i s dijelom ispušnih kanala na početku prvog takta. To poboljšava izgaranje i smanjuje udio štetnih tvari u ispušnim plinovima, naročito ugljičnog monoksida. Kod sportskih se motora usisni ventili potpuno ne zatvaraju na kraju usisnog takta, već neko vrijeme ostaju otvoreni i na početku takta kompresije. Tako se koristi velika brzina (i kinetička energija) usisnih plinova koji uspijevaju ući u cilindar i na početku takta kompresije.

Sve ovo povećava učinkovitost motora kod većeg broja okretaja. Međutim, takvi motori ‘onemoćaju’ pri malom broju okretaja, jer zbog male brzine plinova dio usisne smjese izlazi kroz otvorene ispusne ventile. Iz istog se razloga ne može iskoristiti produženo vrijeme otvorenosti usisnih ventila jer spori usisni plinovi s malom kinetičkom energijom ne mogu svladati povišeni pritisak na početku takta kompresije.

Rješenje nudi promjenljivo upravljanje radom ventila. Dvosmjerni elektromagnetski ventil kod malog broja okretaja (do oko 1500/min) usmjerava ulje pod pritiskom tako da ozubljena čahura tlači na bregasto vratilo te se ono zakreće za 12,5 stupnjeva suprotno smjeru okretanja. Na taj se način usisni ventili otvaraju kasnije i ne preklapaju se s ispušnim ventilima, a usisna smjesa ne ‘bježi’.

U srednjem području rada motora (1500 do 4500/min) elektromagnetski ventil okreće smjer ulja, usisni se ventili otvaraju ranije što dovodi do preklapanja ventila i boljeg izgaranja. Iznad 4500/min faza se vraća unazad te se koristi efekt naknadnog punjenja cilindara smjesom velike brzine. Tako se omogućuje optimalno izgaranje i ekonomičnost, a motor postaje elastičan kod nižeg broja okretaja, zadržavajući puni potencijal kod visokog broja okretaja.

Honda je 1990. uvela sustav VTEC (variable valve timing and lift electronic control), koji mijenja dužinu vremena otvorenosti ventila. Na taj se način i bez izmjene faze može postići ritam bez preklapanja ventila kod malog broja okretaja a kod velikog preklapanje uz produženo vrijeme usisa i ispuha.

Naime, taj sustav mijenja vremena otvorenosti usisnih i ispušnih ventila te se ostvaruju dobra svojstva u svim područjima rada motora. Kratko vrijeme otvorenosti kod nižeg broja okretaja povećava brzinu usisnih plinova, što osigurava vrtloženje i dobro izgaranje smjese.

Kod većeg se, pak, broja okretaja osiguravaju sve prednosti koje pruža dugo vrijeme otvorenosti ventila i djelomično preklapanje. Sportski se radni ciklus uključuje na 5200/min a isključuje na 4900/min. motor postaje iznenađujuće elastičan i ekonomičan kod nižeg, a vatreno snažan kod višeg broja okretaja. Uz to, dobro izgaranje znatno smanjuje udjel štetnih tvari u ispušnim plinovima.

Komentari