Variable Valve Timing ( VVT )

Podstawy teoretyczne

W dzisiejszych czasach, gdy już powszechna jest technika wielozaworowa, kolejnym udoskonaleniem są wyrafinowane systemy sterowania rozrządem VVT, które pozwalają na zwiększenie mocy i momentu obrotowego silnika. 
Jak wiadomo zawory odpowiedzialne są za dolot powietrza do cylindrów. 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 póĽniejsze zamykanie zaworów wylotowych. Innymi słowy, nachodzenie na siebie czasów otwarcia zaworów dolotowych i wylotowych powinno się zwiększać wraz ze wzrostem obrotów. 

Bez technologii VVT inżynierowie musieli iść na kompromisy przy konstruowaniu krzywek. Przykładowo w vanach czasy otwarcia nieznacznie zachodziły na siebie, aby moc wzrastała na niskich obrotach. Zwykłe sedany 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. 

Przy użyciu technologii VVT można podwyższyć moc i moment obrotowy w szerokim zakresie obrotów. Najbardziej widocznymi efektami są:

• możliwość uzyskania wyższych obrotów silnika, co zwiększa moc. Np. 2-litrowy silnik Nissana Neo VVL ma o 25% większą moc maksymalną niż jego odpowiednik bez systemu VVT.
• poprawa momentu obrotowego przy niskich obrotach, co poprawia elastyczność silnika. W silniku Fiata Barchetty 1,8 VVT 90% maksymalnego momentu obrotowego przypada pomiędzy 2.000 a 6.000 rpm.

Co więcej, korzyści te nie są osiągane kosztem innych wartości.

Zmienny wznios

W niektórych rozwiązaniach także wznios zaworu może być regulowany w zależności od obrotów silnika. Przy wyższych obrotach zawory wznoszą się wyżej, pozwalając tym samym na szybszy dolot powietrza i wydech spalin. Oczywiści przy niskich obrotach wytworzyłoby to efekty przeciwne do zamierzonych w postaci pogorszenia wymieszania mieszanki powietrzno-paliwowej i w rezultacie do zmniejszenia mocy lub nawet braku zapłonu mieszanki. Dlatego też wznios zaworów powinien być regulowany w zależności od obrotów silnika.

Rodzaje sterowania rozrządem

1) System przełączania krzywek

Honda jako pierwszy producent samochodów zastosowała system sterowania momentem i czasem otwarcia zaworów, znany jako VTEC, w samochodzie produkowanym seryjnie pod koniec lat 80-tych. Początkowo pojawił się on w modelach: Civic, CRX i NSX, z czasem wszedł do standardowego wyposażenia większości modeli.

Składa się on z dwóch zestawów krzywek o różnych kształtach w celu zapewnienia różnych czasów otwarcia i wzniosów zaworów. Jeden zestaw działa poniżej np. 4500 rpm. Drugi zastępuje go przy wyższych obrotach. Oczywiście takie rozwiązanie nie pozwala na płynną regulację czasów otwarcia, dlatego też poniżej granicy 4500 rpm silnik ma skromne osiągi ale powyżej 4500 rpm budzi się w nim nagle dzikie zwierzę.

System ten zwiększa moc maksymalną - podnosi granicę dopuszczalnych obrotów do prawie 8000 rpm (w przypadku S2000 nawet do 9000 rpm), jak w samochodzie wyścigowym, i zwiększa moc maksymalną nawet o 30KM w silniku 1,6l! Jednak, aby wykorzystać ten zysk mocy trzeba trzymać silnik na wysokich obrotach, co wiąże się z częstym sięganiem po dĽwignię zmiany biegów. Ponieważ moment obrotowy na niskich obrotach wzrasta niewiele (należy pamiętać, że normalny silnik pracuje w zakresie 0-6000 rpm, natomiast "wolnoobrotowe" krzywki systemu VTEC działają w zakresie 0-4500 rpm), funkcjonalność takiego rozwiązania jest ograniczona. Krótko mówiąc, takie rozwiązania najlepiej zdają egzamin w samochodach sportowych.

Honda rozwinęła już 2-stopniowy VTEC do systemu 3-stopniowego. Oczywiści im więcej stopni, tym doskonalszy system, jednak w dalszym ciągu oferuje on mniejszy zakres obrotów o dużym momencie obrotowym niż inne systemy o płynnej regulacji. Jednakże, system przełączania krzywek pozostaje najpotężniejszym systemem sterowania czasem otwarcia i wzniosu zaworów, ponieważ żaden inny system nie potrafi w taki sposób sterować wzniosem zaworów.

W użyciu przez:

• Honda VTEC
• Mitsubishi MIVEC
• Nissan Neo VVL

Przykład - 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 dĽwignie zaworowe poruszają się niezależnie. Lewa dĽwignia zaworowa, która steruje lewym zaworem dolotowym, jest napędzana lewą krzywką o niskim wzniosie. Prawa dĽwignia 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 dĽwignię zaworową. Ponieważ prawa krzywka jest większa od lewej, połączone razem dĽwignie 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 dĽwignie 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.

VTEC-i Hondy

W tym roku Honda zamierza pokazać światu system VTEC nowej generacji. Wykorzystana w nim będzie technologia użyta w silniku 2,0l VTEC Hondy S2000 i płynnie zmienne fazy rozrządu w zakresie 360° na zaworach dolotowych (takie rozwiązanie miało być użyte już w S2000 ale widocznie nie było jeszcze w pełni dopracowane). Honda nazywa nowy system VTEC-i (inteligentny VTEC). Połączenie tych obu rozwiązań, czyli płynnie zmiennych faz rozrządu z konwencjonalnym systemem VTEC, pozwoli silnikom Hondy na uzyskiwanie maksymalnego dostępnego momentu obrotowego w jak najszerszym zakresie obrotów. Efektem będzie nie tylko większa moc, ale szczególnej poprawie ulegnie moment obrotowy w zakresie niskich i średnich obrotów. Aby uzmysłowić sobie potencjalną poprawę osiągów (oraz emisji spalin i spalania) przeprowadzono testy na hamowni po regulacji rozrządu w Prelude '97 i zaobserwowano przyrost momentu obrotowego rzędu ok. 30 Nm w niektórych zakresach obrotów. Zawory miały jednak stałe skoki, co niestety niekorzystnie wpływa na moment obrotowy w pewnych zakresach obrotów. Widać więc wyraĽnie, że użycie płynnie regulowanych faz rozrządu pozwoli Hondzie na wygładzenie wykresu krzywej momentu obrotowego przy niskich obrotach i opóĽni moment otwarcia zaworów na wyższych obrotach w celu przedłużenia płaskiego przebiegu krzywej do maksymalnie wysokich obrotów.

Ta technologia zostanie zastosowana w pojeĽdzie, którego debiut na rynku europejskim jest przewidziany w tym roku. Będzie to całkowicie nowy samochód, hybryda SUV i kombi, zbudowany na platformie Civica. Silnik w nim użyty jest pierwszym z serii całkowicie nowych silników, które mają się pojawić się we wszystkich modelach Hondy do 2005 r. W USA pierwszy silnik z tej serii spodziewany jest w całkowicie nowym modelu Accorda w roku 2003.

To udoskonalenie technologii VTEC jest swego rodzaju mariażem podwójnych krzywek rozrządu Hondy z bardziej tradycyjnymi rozwiązaniami, stosowanymi przez różnych producentów od kilku dziesięcioleci (Porsche, BMW, Toyota i inni). Było to tylko kwestią czasu zanim Honda połączyła te dwa rozwiązania.

Kolejny przykład - Nissan Neo VVL

Jest to system bardzo podobny do Hondowskiego VTEC-a, ale lewa i prawa krzywka posiadają ten sam profil. Przy niskich obrotach obydwa zawory są niezależnie napędzane przez te krzywki o krótkim czasie otwarcia i niskim wzniosie. Przy wysokich obrotach wszystkie 3 dĽwignie zostają spięte razem i napędzane przez krzywkę zapewniającą długi czas otwarcia i wysoki wznios.

Pewnie pomyślicie, że system ten może być tylko 2-stopniowy. Otóż nie. Ponieważ takie samo rozwiązanie jest użyte przy zaworach wylotowych, 3 stopnie regulacji można uzyskać w następujący sposób:

Faza 1 (niskie obroty): zarówno zawory dolotowe jak i wylotowe pracują przy ustawieniach typowych dla niskich obrotów

Faza 2 (średnie obroty): zawory dolotowe pracują już na ustawieniach dla szybkich obrotów, natomiast zawory wylotowe na ustawieniach dla niskich obrotów

Faza 3 (wysokie obroty): zarówno zawory dolotowe jak i wylotowe pracują na ustawieniach dla wysokich obrotów

2) System zmiennych faz

System zmiennych faz rozrządu jest aktualnie najbardziej powszechnie stosowanym, najprostszym i najtańszym mechanizmem sterowania rozrządem, co widać wyraĽnie po jego miernych osiągach.
Podstawą działania jest zmiana czasu i momentu otwarcia zaworów poprzez przesunięcie kąta fazowego wałka rozrządu. Przykładowo, przy wysokich obrotach wałek rozrządu zaworów dolotowych będzie miał kąt wyprzedzenia 30° w celu zapewnienia wcześniejszego dolotu. To przesunięcie jest elektronicznie dostosowywane do potrzeb i napędzane hydraulicznymi popychaczami zaworów.

Jak widać na rysunku system zmiennych faz nie zmienia czasów otwarcia zaworów. Pozwala on jedynie na wcześniejsze lub póĽniejsze ich otwieranie. Oczywiście im zawór się wcześniej otworzy, tym wcześniej nastąpi jego zamknięcie. Zaletą tego rozwiązania jest jego prostota oraz niski koszt produkcji, ponieważ na jeden wałek rozrządu przypada jeden popychacz hydrauliczny, w przeciwieństwie do innych systemów, w których dla każdego cylindra wymagany jest oddzielny mechanizm.

Płynny lub skokowy

Prostsze systemy zmiany faz mają 2 lub 3 ustawione na stałe kąty przesunięcia fazowego np. 0° lub 30°. Doskonalsze systemy posiadają płynnie zmienny kąt w zakresie np. od 0° do 30°, w zależności od obrotów. Takie rozwiązanie jest najlepsze, ponieważ płynnie dobiera momenty otwarcia zaworów w zależności od obrotów, przez co znacznie poprawia elastyczność silnika. Co więcej, przejścia pomiędzy różnymi kątami są praktycznie niezauważalne.

Dolot i wylot

W tej chwili jedynie system Double-Vanos BMW posiada system zmiennych faz zarówno na zaworach dolotowych jak i wylotowych, co pozwala na uzyskanie większej sprawności. To tłumaczy dlaczego BMW M3 3.2 (100KM/litr) jest bardziej wydajne od swojego poprzednika, M3 3.0 (95KM/litr), który ma zmienne fazy jedynie na zaworach dolotowych.

W serii E46 modelu 3, system Double Vanos na zaworach dolotowych posiada regulację w zakresie 40°, natomiast na zaworach wylotowych jest to 25°.

W użyciu przez:

• BMW VANOS (dolot, płynny)
• BMW Double VANOS (dolot i wylot, płynny)
• Ferrari 360 Modena (wylot, 2-stopniowy skokowy)
• Fiat (Alfa) silniki SUPER FIRE (dolot, 2-stopniowy skokowy)
• Ford Puma 1.7 Zetec SE (dolot, 2-stopniowy skokowy)
• Jaguar AJ-V6 oraz nunowocześniony AJ-V8 (dolot, płynny)
• Lamborghini Diablo SV (dolot, skokowy)
• Porsche Variocam (dolot, 3-stopniowy skokowy)
• Toyota VVT-i (dolot, płynny)
• Volvo silniki 4 / 5 / 6-cylindrowe (dolot, płynny)

Przykład: BMW Vanos

Łatwo zrozumieć zasadę działanie tego systemu na rysunku. Na końcu wałka rozrządu znajduje się kółko zębate zakończone nakrętką, która może się zbliżać i oddalać od wałka. Ponieważ zębatka nie leży równolegle do osi wałka, jeśli nakrętka zbliża się do wałka kąt przesunięcia fazowego również ulega wyprzedzeniu. Na tej samej zasadzie, gdy nakrętka oddala się od wałka powoduje to cofnięcie kąta przesunięcia fazowego.

Nakrętka poruszana jest pod wpływem ciśnienia hydraulicznego cieczy. Obok nakrętki znajdują się dwie komory wypełnione cieczą (oznaczone kolorem zielonym i żółtym), oddzielone cienkim tłoczkiem, który przylega ściśle do nakrętki. Ciesz wpływa do komór za pośrednictwem zaworów elektromagnetycznych, które kontrolują ciśnienie w każdej z komór. Na przykład, gdy elektronika silnika daje sygnał do otwarcia zaworu w zielonej komorze, na tłoczek działa ciśnienie hydrauliczne, popychając go, a tym samym również nakrętkę, w kierunku wałka. W efekcie otrzymamy wyprzedzenie kąta przesunięcia fazowego.

Płynnie zmienne momenty otwarcia można łatwo zaimplementować poprzez precyzyjne pozycjonowanie nakrętki w żądanej odległości od wałka w zależności od obrotów silnika.

Kolejny przykład: Toyota VVT-i

Powiększenie elementu popychacza fazowego:

System VVT-i Toyoty (inteligentne zmienne czasy otwarcia zaworów) znajduje zastosowanie w coraz większej liczbie modeli, od malutkiego Yarisa do Supry. Zasada działania jest mniej więcej podobna do Vanosa BMW, jest to również płynnie zmienny system.

Słowo "inteligentny" podkreśla istotę programu sterującego. Różnicuje on otwarcie zaworów nie tylko w zależności od obrotów silnika, ale bierze pod uwagę inne czynniki takie jak prędkość, nachylenie terenu (podjazd lub zjazd)

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 dĽwigni zaworowej do sterowania obydwoma zaworami dolotowymi (lub wylotowymi). Wałek rozrządu posiada 2 krzywki o różnych profilach, oddziaływujące na dĽwignię. 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 dĽwignię 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.

3) Unikalny system VVC Rovera

W 1995 r. Rover przedstawił w modelu MGF swój własny system nazwany VVC (Variable Valve Control - zmienna kontrola zaworów). Wielu ekspertów uznaje ten system za najlepszy w ogólnym rozrachunku - w przeciwieństwie do systemów przełączania krzywek, zapewnia on płynnie zmienne fazy a tym samym zwiększenie momentu obrotowego; a w przeciwieństwie do systemów zmiennych faz, pozwala on na zmienne czasy otwarcia zaworów, co w efekcie prowadzi do zwiększenia mocy.

W systemie VVC do napędzania zaworów dolotowych dwóch przyległych do siebie cylindrów służy wirująca mimośrodowa tarcza. Ponieważ mimośrodowy kształt zapewnia nieliniową rotację, czasy otwarcia zaworów mogą być zmienne. Dalej nie rozumiecie? Hmm, każdy sprytny mechanizm musi być trudny do zrozumienia. W przeciwnym razie nie Rover nie byłby jedynym producentem aut, który go używa.

VVC ma jednak jedną wadę: ponieważ jeden mechanizm obsługuje 2 przyległe cylindry, silnik V6 potrzebuje 3 takie mechanizmy, V8 potrzebuje 4 takie mechanizmy, natomiast wpasowanie takie go mechanizmu do V12 jest niemożliwe, ponieważ pomiędzy cylindrami nie ma wystarczająco dużo miejsca aby zmieścić mimośrodową tarczę i koła zębate mechanizmu.

Porównanie różnych systemów

Aby rzetelnie ocenić wydajność i efektywność różnych systemów sterowania rozrządem, oprócz mocy należy również przeanalizować wykres krzywej momentu obrotowego. Porównanie tych danych byłoby zbyt skomplikowane, dlatego też skoncentrujemy się tylko na mocy maksymalnej. Należy jednak pamiętać, że poniższe porównanie odzwierciedla tylko sportową naturę silników i jest zupełnie niezwiązane z przydatnością silnika do jazdy codziennej.

Poniższe porównanie opiera się na procentowym wzroście mocy w stosunku do silników bez systemów VVT. Aby porównanie to miało sens obie wersje silnikowe muszą być praktycznie identyczne poza układem rozrządu. Przykładowo, nie można porównywać wyścigowego silnika Hondy Civic Type R z normalnym silnikiem 1,6 SOHC europejskiej wersji Civica, ponieważ mają one ze sobą niewiele wspólnego.

Wniosek końcowy jest następujący: system przełączania krzywek jest najlepszy jeżeli chodzi o zwiększenie mocy. Następny na podium jest system VVC Rovera. Ostanie miejsce należy do systemu zmiennych faz.

Korzyści płynące z VVT w zakresie spalania i emisji spalin

EGR (recyrkulacja spalin) jest popularną techniką mającą na celu zmniejszenie emisji zanieczyszczeń i spalania paliwa. Tak naprawdę jedynie systemy VVT potrafią w pełni wykorzystać potencjał EGR.

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.