Prieš kelias dešimtmečius variklių konstruktoriai turėjo šventąjį gralį - sukurti variklį, kuris generuotų daugiausiai galios kai jos reikia ir sumažintų degalų suvartojimą ir išmetamų teršalų kiekį kitaip. Pagrindinė problema? Tradicinių variklių vožtuvo laikymas yra fiksuotas - tai kompromisas tarp žemo sukiojančiojo momento ir didelės galios. Čia pasirodo kintamojo vožtuvo laikymo (VVT) technologija - revoliucinė technologija, dinamiškai optimizuojanti variklio kvėpavimą. Taigi, panagrinėkime, kaip ji veikia ir kokius milžiniškus privalumus tai suteikia.
Kas yra kintamasis vožtuvo laikymas ir kaip jis padeda pagerinti variklio efektyvumą? Paprastai tariant, VVT leidžia varikliui dalinai valdyti įsiurbimo ir/ar išmetimo vožtuvų atidarymo ir uždarymo laiką per degimo ciklą. VVT sistemos gali perkelti krumpliaračio valdymo laiką, lyginant su veleno padėtimi, į priekį (ankstesnis) arba atgal (vėlesnis), vietoj to, kad būtų pritvirtintos prie vienos fiksuotos padėties, kuri nulemta krumpliaračio fiksuotu kampu, lyginant su velenu.
Ši protinga sistema gali realiu laiku keisti variklio charakterį, kad kasdienio naudojimo metu jis būtų taupus, o reikiamu metu galėtų parodyti didesnę galią. Pažiūrėsime, kaip VVT pasiekia šią puikią dvilypį savybę. Variklis iš esmės yra siurblys, kuris siurbia orą. Jis įtraukia orą ir kuro mišinį bei išleidžia išmetamąsias dujas. Šį kvėpavimo procesą kontroliuoja cilindro galvutėje esantys vožtuvai, kurie veikia kaip vartai. Jų atsidarymo ir užsidarymo momentai yra lemiami. Standartinėse variklių sistemose šie vožtuvų veiksmai yra iš anksto nustatyti. Juos fiksuoja paskirstymo velenas ir jų pakeisti negalima. Tai kompromisas - konstrukcija, efektyvi aukšto greičio sąlygomis, žemo greičio sąlygomis yra neefektyvi, ir atvirkščiai. Kintamoji vožtuvų valdymo sistema pašalina šį kompromisą. Ši sistema dinamiškai reguliuoja santykį tarp alkūninio ir paskirstymo veleno naudojant sudėtingą hidraulinį arba elektroninį aktorių. Paprasčiau tariant, ji gali greitinant arba sulėtinant atidaryti ir uždaryti vožtuvus, kai variklis yra judėjimo būsenoje. Tai leidžia variklio kompiuteriui nuolat derinti vožtuvų veikimą pagal esamas važiavimo sąlygas, kad variklis visada dirbtų kuo efektyviau.
Kaip veikia VVT sistemos?
VVT technologija, naudodama variklio valdymo blokus ir pavaras, reguliuoja vožtuvo atidarymo ir uždarymo laiką bei vožtuvų persidengimo fazę. ECU stebi variklio veikimo sąlygas ir siunčia instrukcijas solenoidams, kad būtų galima sureguliuoti įsiurbimo tūrį, įsiurbimo kampą ir vožtuvo laiką. Šis oro suvartojimo optimizavimas pagerina degimo efektyvumą.
Pagrindiniai VVT sistemos komponentai:
- Fazininkas: Tai dalis, pritvirtinama prie krumpliaračio galo. Ji panaši į hidraulinį jungiklį ir leidžia šiek tiek pasukti krumpliaračio padėtį į priekį (operatyvų veikimą) arba atgal (vėlavimą) lyginant su grandinės/diržo krumpliaračiu. Viduje yra kameros, kuriose yra variklio alyva, reguliuojanti skysčio judėjimą.
- Alyvos slėgis: Tam reikia generuoti hidraulinę energiją, kad aktyvuotumėte krumpliaračio fazės keiklį. Švari alyva tinkamu slėgiu yra sistemos pagrindas, kuris užtikrina tikslų ir patikimą jos veikimą. Palaikyti tinkamą tepimą ir alyvos kokybę yra labai svarbu kintamosios vožtuvo fazės (VVT) ilgaamžiškumui.
- Elektromagnetinis vožtuvas (vožtuvai): Tai yra elektroniškai valdomi vožtuvai, kurie yra vartų sargai. Jie naudoja slėgį sukuriančią variklio alyvą tam tikriems kanalams pavaros fazininko viduje tiekti pagal Variklio valdymo bloko (ECU) nurodymus. Elektromagnetinis vožtuvas pasirenka, į kurią kamerą paduoti alyvos slėgį - tai bus padaryta tam, kad pakeisti (pagreitinti arba sulėtinti) pavaros fazavimą.
ECU visą laiką skaito variklio sūkius, apkrovą, sklendės padėtį, temperatūrą ir pan. Remiantis sudėtingais algoritmais, jis nustato geriausią galimą pavaros fazavimo poziciją esamomis važiavimo sąlygomis ir siunčia komandas elektromagnetiniams vožtuvams, kad jos būtų pasiektos.
VVT privalumai
Kas čia tokio galingo? VVT technologijos dėka variklis gali veikti skirtingais režimais:
- Esant žemiems sūkiams: Turėtų būti galima bent jau dalinai pašalinti tuščiojo važiavimo kokybės ir žemo sukiojančio momento problemas, vėluojant įsiurbimo krumpliaratį (vėliau uždarant vožtuvą). Dauguma vairuotojų pastebi didžiausią poveikį padidėjusiai kuro naudai, ypač miesto eismo sąlygomis su dažnais stabdymais ir pajudėjimais. VVT svarbus vaidmuo pasireiškia keliose srityse. VVT gali maksimaliai padidinti vožtuvų persidengimą esant žemam variklio apsukų skaičiui, pavyzdžiui, tuščiąja eiga ar švelniam pagreitinimui. Tai trumpas laikotarpis, kai įleidimo ir išleidimo vožtuvai yra atviri. Tikslingai reguliuojant šį persidengimą, variklis gali sumažinti siurbimo nuostolius - energiją, prarastą traukiant orą į cilindrą. Tai leidžia varikliui dirbti mažiau, tiesiogiai taupant kuro. Be to, optimizuotas vožtuvo valdymas užtikrina aukštą degimo stabilumą esant žemoms apsukoms. Tai leidžia inžinieriams taikyti drąsesnes priemones, pvz., naudoti liesesnę oro-kuro mišinį mažos apkrovos metu, kas dar labiau optimizuoja kuro sąnaudas.
- Esant aukštiems sūkiams: Padidėja aukštojo diapazono galia, anksčiau atidarant vožtuvą per įsiurbimo krumpliarčio ankstesnį valdymą. Nors žemomis greičiais tai ir ekonomiška, kintamoji vožtuvų valdymo sistema (VVT) tikrai padeda varikliui pasiekti savo potencialą tada, kai jums to reikia. Ji išsprendžia tradicinę našumo dilemą - kaip tame pačiame variklyje pasiekti didelį sukimo momentą aukštesniuose sūriuose ir didelį galios rodiklį aukštuose apsukimuose. Aukštomis variklio apsukomis variklis turi giliai ir greitai „kvėpuoti“. Šiuo atveju VVT gali reguliuoti įsiurbimo vožtuvų atsidarymo ir užsidarymo laiką. Tai leidžia daugiau oro ir kuro įpilti į cilindrus aukštomis apsukomis, kas vadinama tūrine efektyvumu. Rezultatas - žymiai padidėjęs galios rodiklis aukštuose apsukimuose, dėl ko varikliui lengviau sukasi ir jis generuoja daugiau galios.
- Efektyvumas: Veikiant mažai apkraunant, galima sumažinti siurbimo nuostolius ir kuro degimo temperatūrą, perleidžiant inertines išmetamųjų dujų dalis (vidinį EGR) per tam tikrą intervalą (tiek įleidimo, tiek išleidimo vožtuvai yra šiek tiek atidaryti), o tai tiesiogiai padidina kuro naudojimo efektyvumą. VVT tiksliai kontroliuoja degimo procesą, užtikrindamas, kad variklis įsiurbtų tik tiek oro, kiek reikia tam tikru metu, dėl ko mažėja veltui prarasto oro kiekis ir maksimaliai efektyviai naudojamas kuras.
VVT taip pat užtikrina, kad variklis „kvėpuotų“ kiek įmanoma geriau, nuolat keisdamas krumpliaračio fazę pagal variklio poreikius realiu laiku - tai reiškia, kad kiekviena kuro lašas išgauna maksimaliai naudingo darbo.
Konkretesni privalumai:
- Žymiai pagerinta kuro ekonomija: Tai yra pavadinimo privalumas. VVT sistemos turi potencialo žymiai padidinti kuro naudą, sumažinant siurbimo nuostolius (ypač dėl dalinio EGR esant daliniu atidarymu), optimizuojant cilindrų pripildymą platesniame sūkių diapazone ir didesnėse kompresijos santykio ribose. Tokio patobulinimo lygis dažnai vertinamas 5-10 procentų arba daugiau, lyginant su panašia varikliu be VVT.
- Sumažinti išmetimai: Maksimali degimo temperatūra yra gerokai sumažinta, degimas yra optimizuotas ir naudojamas vidinis EGR. Tai tiesiogiai mažina žalingų azoto oksidų (NOx) susidarymą. Pilnesnis ir veiksmingesnis kuras taip pat sumažina angliavandenilių (HC) ir anglies monoksido (CO) išmetimą, kuris padeda varikliams atitikti griežtas ekologines standartus.
- Padidinta galia ir sukimo momentas: VVT plečia variklio sukimo momento diapazoną, suteikiant daugiau žemo sukio galios traukos galimybių ir patogesnį valdymą su reakcingesne galia aukštesniuose RPM diapazonuose, suteikiant naudingesnę ir vairuotojui draugiškesnę patirtį kelyje ir už jo ribų. Kita vertus, norint pasiekti aukštą žemo ir vidutinio diapazono reakciją, sistema naudoja laiką tam, kad maksimaliai padidintų sukimo momentą. Taip pat pagerinamas oro-kuro mišinio sūkuravimas, reguliuojant vožtuvų veikimą, kad būtų sumažintas apsukų skaičius ir užtikrintas visiškesnis deginimas tuo metu, kai vairuotojas atleidžia akceleratorių. Tai pašalina būdingą plokščią vietą ar vėlavimą, būdingą senesniems varikliams, suteikiant sklandų, reakcingą ir galingą trauką per visą apsukų diapazoną.
- Pagerinta tuščios eigos kokybė: Tikslesnis vožtuvų persidengimo reguliavimas padeda pagerinti variklio sklandumą ir stabilumą.
VVT ir paskirstymo velenas
VVT technologija yra įrodymas apie nuostabų sudėtingumą, kuris būdingas naujausių variklių konstrukcijoms. Ji taip pat pabrėžia svarbią aukštos kokybės tinkamų dalių reikšmę vožtuvo mechanizmo sistemai, kadangi ji labai priklauso nuo kruopščiai kontroliuojamų hidraulikos sistemų, reaguojančių solenoidų ir ilgaamžių krumpliaračių fazės keitiklių. Tai užtikrins šių veiksnių sklandžią sąveiką, kad varikliai galėtų „kvėpuoti išmintingai“, suteikiant vairuotojams reikiamą galią, kartu pasiekiant būtinus padidėjimus kuro ekonomijoje ir aplinkosaugos srityse. Tai yra pagrindinė technologija, siekiant sukurti šaresnius, galingesnius ir ekonomiškesnius variklius.
Paskirstymo velenas arba paskirstymo velenėlis yra vidaus degimo variklio komponentas, diktuojantis vožtuvų atidarymo ir uždarymo laiką, variklio darbo metu. Šis besisukantis velenas yra būtinas norint užtikrinti tinkamą variklio įsiurbimo ir išmetimo vožtuvų atidarymo bei užsidarymo momentą, tam kad variklio dujų paskirstymo sistema veiktų optimaliai.
Kintamo vožtuvų atidarymo laiko valdymo mechanizmas (Variable Valve Timing): šio tipo dujų paskirstymo mechanizmas įvairių papildomų sistemų pagalba gali reguliuoti vožtuvų atidarymo laiką, todėl varikliai naudojantys tokį mechanizmą yra gerokai efektyvesni ir ekonomiškesni. Tokių sistemų pavyzdžiai yra gerai žinomi VVT, VTEC, VANOS ir t.t. Ir nors tai yra skirtingų automobilių gamintojų sistemos veikiančios skirtingu principu, iš esmės visos jos reiškia tą patį - kintamą vožtuvų atidarymo laiką (Variable Valve Timing).
VVL technologija yra pažengusi ir sudėtingesnė nei VVT, todėl tai yra aukščiausios kokybės funkcija, kurios nėra kiekvienam automobilių gamintojui. Nors VVL siūlo reikšmingus galios ir sukimo momento patobulinimus įvairiuose greičių diapazonuose, jo sudėtingumas taip pat reiškia didesnes gamybos sąnaudas.
Ateities kryptys
Be veleninės vožtuvų valdymo sistemos (camless): šios sistemos nenaudoja tradicinių velenų vožtuvų valdymui - vietoj jų naudojami elektromagnetiniai vožtuvai (solenoidai), kurie valdo dujų išmetimo ir įsiurbimo vožtuvus. Ši technologija leidžia be apribojimų keisti vožtuvo atidarymo laiką, pakėlimo aukštį ir trukmę, todėl žymiai pagerėja dujų paskirstymo efektyvumas ir ženkliai sumažinamas išmetamųjų teršalų kiekis. Šios sistemos vis dar kuriamos bei tobulinamos, todėl naudojamos ribotai, nors jos, panašu, yra dujų paskirstymo technologijos ateitis ir su laiku pakeis tradicines vožtuvų valdymo sistemas. Tokių sistemų pirmtakas yra kompanija Koenigsegg ir jų FreeValve tehcnologija.