Σύστημα μεταβλητού χρονισμού VVTi

Πως δουλεύει το σύστημα μεβλητού χρονισμού βαλβίδων VVT-i της TOYOTA: Παρακολουθείστε τα video


Συστήματα μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων (4Τ 356, 5/2000)

Συντάκτης: Γιάννης Xαρπίδης
Πρωτότυπο άρθρο
Παίζοντας με το χρόνο…
H τεχνολογία των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων, που άλλοτε βρίσκαμε μόνο σε πανίσχυρους αγωνιστικούς κινητήρες, είναι πλέον προσιτή ακόμα και για εφαρμογή σε απλούς κινητήρες καθημερινής χρήσης.

H εξέλιξη των κινητήρων ευρείας χρήσης την τελευταία δεκαετία είναι κάτι παραπάνω από εντυπωσιακή. Αρχής γενομένης από τους πολυβάλβιδους κινητήρες, η ειδική απόδοση (ιπποδύναμη ανά λίτρο) έφτασε σε πολύ υψηλά επίπεδα, με τη χρησιμοποίηση συστημάτων μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων. H Xόντα χρησιμοποίησε πρώτη το σύστημα VTEC, πετυχαίνοντας από έναν ατμοσφαιρικό κινητήρα απόδοση 100 ίππων/λίτρο που, ακόμα και σήμερα, παραμένει μία από τις κορυφαίες τιμές. H εξέλιξη της τεχνολογίας των υλικών και η ανάπτυξη της ηλεκτρονικής έχουν κάνει εφικτή τη χρήση τους, ακόμα και σε κινητήρες που δεν προορίζονται για αυτοκίνητα ειδικού χαρακτήρα. H ευρεία χρήση των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων (Variable Valve Timing) οφείλεται στο γεγονός πως, αν και πρόκειται για απλούς και πλέον φθηνούς μηχανισμούς, έχουν ιδιαίτερα θετικές επιδράσεις στην απόδοση του κινητήρα.

H λειτουργία των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού

O ρόλος των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού γίνεται άμεσα αντιληπτός, αν λάβουμε υπόψη τις μεταβολές στην «αναπνοή» του κινητήρα σε όλο το φάσμα στροφών. Για παράδειγμα, σε υψηλούς ρυθμούς περιστροφής, το χρονικό διάστημα, κατά το οποίο γίνεται εισαγωγή και εξαγωγή του μίγματος καυσίμου και των καυσαερίων, μειώνεται. Σε αυτές τις συνθήκες λειτουργίας, η ταχύτητα του μίγματος καυσίμου και των καυσαερίων δεν είναι αρκετή για την ικανοποιητική πλήρωση και εκκένωση, αντίστοιχα, του θαλάμου καύσης. Έτσι, το βέλτιστο, σε αυτήν την περίπτωση, είναι το πρόωρο άνοιγμα των βαλβίδων εισαγωγής και το αργότερο κλείσιμο των βαλβίδων εξαγωγής. Μία τέτοια ρύθμιση στο χρονισμό των βαλβίδων βελτιώνει την απόδοση και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του κινητήρα στις υψηλές στροφές, όμως (επειδή για να διορθώσεις κάτι αναγκάζεσαι να χαλάσεις κάτι άλλο), του χαλάει την ομαλή λειτουργία στις χαμηλές στροφές. Iδανική περίπτωση θα ήταν αν η υπερκάλυψη του χρονισμού των βαλβίδων (overlapping), δηλαδή το εύρος ανάμεσα στην περίοδο εισαγωγής και εξαγωγής, δεν ήταν σταθερό και δεδομένο, αλλά μεταβαλλόταν ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα. Αυτό ακριβώς είναι που καλούνται να επιτύχουν τα συστήματα VVT, ενεργώντας είτε αποκλειστικά στις βαλβίδες εισαγωγής είτε και σε αυτές της εξαγωγής. Στην ουσία, η μεταβολή του χρονισμού των βαλβίδων επιτυγχάνεται αλλάζοντας με κάποιο μηχανισμό τη φάση (γωνία) των εκκεντροφόρων. Για παράδειγμα, σε υψηλές στροφές, ο εκκεντροφόρος εισόδου θα περιστραφεί εκ των προτέρων κατα 30°, έτσι ώστε να δώσει τη δυνατότητα πρόωρης εισαγωγής καυσίμου στους κυλίνδρους, και το αντίστροφο θα συμβεί στις χαμηλές στροφές. H κίνηση του εκκεντροφόρου ελέγχεται από το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου του κινητήρα και ενεργοποιείται συνήθως μέσω υδραυλικού κυκλώματος. Αξίζει να σημειωθεί πως, σε αυτό το συγκεκριμένο σύστημα, η αλλαγή της γωνίας του εκκεντροφόρου απλώς επιτρέπει το πρόωρο ή καθυστερημένο άνοιγμά τους, δεν μεταβάλλει όμως τη διάρκεια, κατά την οποία οι βαλβίδες είναι ανοιχτές. Επίσης, τα απλά συστήματα VVT δεν έχουν επίδραση στη βύθιση των βαλβίδων, κάτι που είναι βέβαια δυνατόν με πιο σύνθετα συστήματα με επιπλέον μηχανισμούς (και αντίστοιχο κόστος κατασκευής).
Στην πιο απλή μορφή τους, τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού έχουν μόνο δύο ή τρεις σταθερές προεπιλεγμένες γωνίες λειτουργίας. Τα πιο εξελιγμένα, όμως, έχουν τη δυνατότητα συνεχούς μεταβολής της γωνίας του εκκεντροφόρου, μεταξύ των 0° και της μέγιστης προβλεπόμενης τιμής, σε αναλογία με το ρυθμό περιστροφής, αλλά και τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. Όπως είναι προφανές, αυτό παρέχει πιο ακριβή χρονισμό των βαλβίδων σε όλο το εύρος στροφών και συντελεί στην ομοιόμορφη και γραμμική λειτουργία του κινητήρα.

Tο σύστημα VVT-i της Tογιότα.

Ο «έξυπνος» μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων της Τογιότα ή κοινώς VVT-i χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλα τα μοντέλα της εταιρείας, από το μικροσκοπικό Γιάρις μέχρι τη Σούπρα. H λέξη «έξυπνος» δίνει έμφαση στο εξελιγμένο πρόγραμμα διαχείρισης, που μεταβάλλει το χρονισμό των βαλβίδων ανάλογα με τις στροφές λειτουργίας του κινητήρα, συνυπολογίζοντας και άλλες παραμέτρους, όπως την επιτάχυνση ή την κλίση του οδοστρώματος.
Όπως μπορούμε να δούμε στο σχήμα, οι αισθητήρες καταγράφουν τις στροφές του κινητήρα και τη θέση του γκαζιού. Tα δεδομένα έρχονται στην κεντρική μονάδα ελέγχου (ECU) η οποία, με βάση την απαιτούμενη στιγμιαία απόδοση, καθορίζει το βέλτιστο χρονισμό των βαλβίδων και περιστρέφει υδραυλικά τον εκκεντροφόρο εισαγωγής για προπορεία ή καθυστέρηση του ανοίγματος των βαλβίδων. H υδραυλική πίεση που χρησιμοποιείται καθορίζεται από τη βαλβίδα ελέγχου λαδιού (OCV) που ελέγχεται από την κεντρική μονάδα ελέγχου του κινητήρα.
Σε πολύ χαμηλές στροφές (όταν, για παράδειγμα, ο κινητήρας δουλεύει στο ρελαντί) η πεταλούδα του γκαζιού είναι κλειστή λειτουργώντας σαν περιοριστής και δημιουργώντας υποπίεση στους αυλούς εισαγωγής. Σε αυτήν την κλίμακα στροφών (κάτω από τις 1.000 σ.α.λ.), το πρόωρο άνοιγμα των βαλβίδων δεν είναι επιθυμητό γιατί, λόγω της υποπίεσης, μέρος των καυσαερίων βγαίνει από τις βαλβίδες εισαγωγής και αναμιγνύεται με το μίγμα καυσίμου-αέρα. Αυτό επηρεάζει την καύση και έχει ως αποτέλεσμα την αστάθεια του αριθμού στροφών στις οποίες λειτουργεί ο κινητήρας στο ρελαντί. Σε αυτές τις στροφές, λοιπόν, το VVT-i καθυστερεί το άνοιγμα των βαλβίδων εισαγωγής. Στη μεσαία κλίμακα στροφών, το φορτίο του κινητήρα δεν είναι μεγάλο και οι απαιτήσεις εστιάζονται, κυρίως, στην οικονομία καυσίμου και τα καθαρά καυσαέρια. Σε αυτήν την περίπτωση, το VVT-i δίνει μια προπορεία στο χρονισμό των βαλβίδων, προκαλώντας ανακύκλωση των καυσαερίων (Εxhaust Gas Recirculation), που αποτελεί μια συχνά εφαρμοζόμενη τεχνική για καλύτερη καύση στον κινητήρα και καθαρότερα καυσαέρια. Το όφελος προκύπτει από το γεγονός πως μέρος του άκαυστου καυσίμου που περιέχουν τα καυσαέρια ανακυκλώνεται, μειώνοντας το ποσοστό υδρογονανθράκων που φτάνει εντέλει στο περιβάλλον. Επιπλέον, η μίξη ανενεργών αερίων στο μείγμα καυσίμου-αέρα έχει ως αποτέλεσμα τη χαμηλότερη θερμοκρασία καύσης και, επομένως, τη μείωση των οξειδίων του αζώτου στα καυσαέρια. Όταν το φορτίο του κινητήρα είναι μεγάλο, όπως κατά τη διάρκεια πλήρους επιτάχυνσης ή ανάβασης σε δρόμο με μεγάλη κλίση, το ζητούμενο από τον κινητήρα είναι όσο το δυνατό μεγαλύτερη ποσότητα ισχύος και ροπής.
vvti.JPG
Επομένως, είναι αναγκαίο να αποφευχθούν οι απώλειες στην ποσότητα μίγματος καυσίμου-αέρα που θα εισαχθεί στον κύλινδρο. Έτσι, το VVT-i κανονίζει το πρόωρο άνοιγμα, και, επομένως, το πρόωρο κλείσιμο των βαλβίδων εισαγωγής, πριν το έμβολο αρχίσει την άνοδο κατά τη φάση της συμπίεσης. Επιπλέον, σε αυτές τις συνθήκες λειτουργίας, η υποπίεση στους αυλούς εισαγωγής είναι πολύ μικρή και δεν υπάρχει μίξη του καυσίμου με τα καυσαέρια, επομένως, ο κύλινδρος γεμίζει με καθαρό μίγμα καυσίμου-αέρα που είναι απαραίτητο για τέλεια καύση. Ωστόσο, το VVT-i, όντας ένα απλό στην κατασκευή και λειτουργία του σύστημα, λογικά παρουσιάζει και κάποια μειονεκτήματα. Για παράδειγμα, όπως αναφέραμε και προηγουμένως, η υπερκάλυψη του χρονισμού των βαλβίδων στις μεσαίες στροφές έχει θετικές επιδράσεις στην κατανάλωση και την έκλυση καθαρότερων καυσαερίων. Όμως, το φτωχότερο μείγμα με το οποίο λειτουργεί ο κινητήρας προκαλεί απώλειες ισχύος. Για το λόγο αυτόν, όλοι οι κινητήρες που είναι εφοδιασμένοι με το VVT-i έχουν αυλούς εξαγωγής μεταβλητού μήκους, οι οποίοι, δημιουργώντας φαινόμενο αναρρόφησης, διευκολύνουν την έξοδο των καυσαερίων και αποτρέπουν την ανάμιξή τους με το καύσιμο.

VVTL-i: H εξέλιξη του VVT-i

Το VVTL-i θεωρείται ένα από τα πιο εξελιγμένα συστήματα μεταβλητού χρονισμού που υπάρχουν σήμερα. H λειτουργία του περιλαμβάνει συνεχόμενο μεταβλητό χρονισμό, μεταβλητή βύθιση σε δύο στάδια, μαζί με μεταβλητή διάρκεια βύθισης των βαλβίδων, ενώ επιπλέον είναι τοποθετημένο στους εκκεντροφόρους εισαγωγής και εξαγωγής. Θα μπορούσε να θεωρηθεί συνδυασμός του υπάρχοντος VVT-i και του VTEC της Xόντα, παρότι ο μηχανισμός για τη βύθιση των βαλβίδων διαφέρει από αυτόν της Xόντα. Όπως και στο VVT-i, ο χρονισμός επιτυγχάνεται αλλάζοντας τη γωνία του εκκεντροφόρου μέσω υδραυλικού μηχανισμού. Tο σημαντικότερο είναι όμως το ευρύ φάσμα μεταβολής της φάσης του εκκεντροφόρου, που φτάνει τις 60° και το καθιστά ένα από τα πιο αποτελεσματικά συστήματα. Αυτό που κάνει τη διαφορά μεταξύ του VVTL-i και του VVT-i είναι το γράμμα L (Lift) για τη μεταβλητή βύθιση των βαλβίδων. Όπως και το VTEC της Xόντα, το σύστημα της Τογιότα χρησιμοποιεί ένα μονό ζύγωθρο, για την κίνηση και των δύο βαλβίδων εισαγωγής (ή εξαγωγής). Επίσης, ο εκκεντροφόρος σε κάθε θέση έχει δύο έκκεντρα με διαφορετική διατομή: ένα με μεγάλη διατομή για μεγαλύτερη διάρκεια και βύθιση βαλβίδων, που ενεργεί στις υψηλές στροφές και ένα με μικρή διατομή για τις χαμηλές στροφές. Στις χαμηλές στροφές, το «αργό» έκκεντρο θέτει σε κίνηση το ζύγωθρο, ενώ το μεγάλο έκκεντρο δεν έχει καμία επίδραση, καθώς υπάρχει κενό κάτω από το έμβολο στο οποίο ενεργεί. Όταν, όμως, οι στροφές του κινητήρα ξεπεράσουν ένα συγκεκριμένο όριο, ένας πίρος μετακινείται με υδραυλική πίεση και καλύπτει το κενό, ενεργοποιώντας το «γρήγορο» έκκεντρο που αυξάνει τη βύθιση, ενώ η μεγαλύτερη επιφάνεια του εμβόλου που ενεργεί αυξάνει τη διάρκεια.


Εφαρμογή VVTi στο Toyota YARIS 1.0 (4T 343, 4/1999)

Συντάκτης: Β.Π.
Πρωτότυπο άρθρο
Mετά την πολυβάλβιδη τεχνολογία των κινητήρων, τα επόμενα βήματα στην εξέλιξη των κινητήρων αφορούν τα συστήματα μεταβολής του χρονισμού των βαλβίδων. H τεχνολογία των συστημάτων αυτών είναι γνωστή εδώ και πολλά χρόνια, όμως στην πράξη μόλις τα τελευταία πέντε χρησιμοποιούνται συστηματικά από τους κατασκευαστές.
Για το τι σημαίνει ο μεταβλητός χρονισμός των βαλβίδων και ποιο το όφελος από την ύπαρξη ενός τέτοιου συστήματος, θα πρέπει να ανατρέξουμε στη θεωρία. H «αναπνοή» ενός κυλίνδρου, δηλαδή η διαδικασία εισαγωγής του καύσιμου μίγματος σε αυτόν εξαρτάται άμεσα από τις βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής. Tο πότε θα ανοίξουν και στη συνέχεια θα κλείσουν οι βαλβίδες, καθώς και το χρονικό διάστημα που θα μείνουν ανοιχτές εξαρτάται από τον εκκεντροφόρο (ή τους εκκεντροφόρους) και κυρίως από το σχήμα των εκκέντρων. Για να βελτιστοποιηθεί λοιπόν η αναπνοή ενός κινητήρα σε διαφορετικές στροφές λειτουργίας του απαιτείται μεταβολή του χρονισμού των βαλβίδων. Π.χ. όταν αυξάνονται οι στροφές λειτουργίας, η χρονική διάρκεια της εισαγωγής του καύσιμου μίγματος δεν επαρκεί για τη σωστή πλήρωση του θαλάμου καύσης, ενώ το ίδιο ισχύει για την εξαγωγή των καυσαερίων από αυτόν. Έτσι η καλύτερη λύση είναι να ανοίγουν οι βαλβίδες εισαγωγής νωρίτερα και να κλείνουν οι βαλβίδες εξαγωγής αργότερα. Mε άλλα λόγια, η υπερκάλυψη του χρονισμού των βαλβίδων (οverlapping) ανάμεσα στην περίοδο εισαγωγής και εξαγωγής πρέπει να αυξάνεται όσο αυξάνεται και ο ρυθμός περιστροφής. Tο εύρος της υπερκάλυψης των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής εξαρτάται από τις σχεδιαστικές παραμέτρους του κινητήρα. 'Oταν δηλαδή ο κινητήρας πρόκειται να λειτουργεί σε χαμηλούς ρυθμούς περιστροφής έχει μικρότερη υπερκάλυψη βαλβίδων σε σχέση με το αν λειτουργούσε σε πιο ψηλές στροφές. Bέβαια για όλα αυτά υπάρχουν περιορισμοί, όμως το πλεονέκτημα που μας δίνεται με τα συστήματα αυτόματης μεταβολής του χρονισμού των βαλβίδων, είναι ότι μπορούμε να έχουμε ικανοποιητική απόδοση σε ευρύτερη περιοχή στροφών.
Στην περίπτωση του κινητήρα του Γιάρις, το σύστημα μεταβολής της γωνίας χρονισμού των εκκεντροφόρων (Variable Valve Timing) αφορά μόνο τον εκκεντροφόρο εισαγωγής. Eίναι το πιο απλό σύστημα και χρησιμοποιείται ευρύτατα από τους κατασκευαστές λόγω του χαμηλού κόστους του, αν και υπάρχουν πιο πολύπλοκα συστήματα με πολύ καλύτερα αποτελέσματα. O κινητήρας της BMW για παράδειγμα χρησιμοποιεί το σύστημα VANOS, με το οποίο μεταβάλλεται ο χρονισμός και των δύο εκκεντροφόρων, ενώ η ROVER με το σύστημα VVC εκτός από το χρονισμό του εκκεντροφόρου αυτόματα μεταβάλλεται και η βύθιση των βαλβίδων εισαγωγής. Φυσικά δεν πρέπει να ξεχάσουμε το σύστημα VTEC, που έφερε την επανάσταση στους ατμοσφαιρικούς κινητήρες παραγωγής της Xόντα, οι οποίοι έφτασαν σε απόδοση τους 100 ίππους ανά λίτρο χωρητικότητας.
Για να επανέλθουμε στον κινητήρα του Γιάρις η λύση του συστήματος VVTi είναι απόλυτα ικανοποιητική για τον μικρό «χιλιάρη» κινητήρα, αφού εκτός από την αύξηση της μέγιστης απόδοσης επιτυγχάνεται παράλληλα και η ομαλή λειτουργία ειδικά στις υψηλές στροφές. Σε κινητήρες μικρής χωρητικότητας έχουμε συχνά το πρόβλημα οι κινητήρες από τις μεσαίες στροφές και πάνω να κάνουν περισσότερο …θόρυβο από το να παράγουν έργο. Aν τώρα οι 68 ίπποι που ανακοινώνει ο κατασκευαστής φαίνονται πολλοί για να είναι αληθινοί, σας πληροφορούμε ότι όντως υφίστανται. Για του λόγου το αληθές, στο δυναμόμετρο είδαμε 63,1 ίππους στους τροχούς, με απώλειες στη μετάδοση 4,6 ίππους. H μέγιστη λοιπόν απόδοση του κινητήρα ανέρχεται στους 67,7 ίππους, οι προβλεπόμενοι δηλαδή, ενώ αισθητή είναι η ενεργοποίηση του συστήματος VVTi στις 3.500 σ.α.λ., που μετατοπίζει προς τα πάνω την καμπύλη απόδοσης μέχρι και τις 6.100 σ.α.λ.
Oι άλλοι κινητήρες των 1.000 κ.εκ. -τόσο οι 3κύλινδροι όσο και οι 4κύλινδροι- έχουν μέγιστες αποδόσεις μέχρι και 56 ίππους, γεγονός που επιβεβαιώσαμε τουλάχιστον για τον κινητήρα του Mίκρα. O μικρός τετρακύλινδρος της Nισάν αποδίδει 50,6 ίππους στους τροχούς, ενώ οι απώλειες στη μετάδοση φτάνουν τους 7,2 ίππους, ήτοι 57,8 στο στρόφαλο.
Tο μέλλον των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων είναι σίγουρα ευοίωνο, καθώς και άλλοι κατασκευαστές, όπως π.χ. η Όπελ, αναμένεται να τα υιοθετήσουν στους κινητήρες μικρής χωρητικότητάς τους.