Systemet med variabel ventiltid ( VVT ) i förbränningsmotorer är utformat för att ändra ventilöppningstiden och används ofta för att förbättra effektivitet, ekonomi och toxicitet. Systemet används i allt större utsträckning tillsammans med ett variabelt ventillyftsystem. Variabel ventiltid kan uppnås på en mängd olika sätt: helmekanisk, elektrohydraulisk och kamlös design av motorer. En av anledningarna till införandet av variabla ventiltimingssystem av biltillverkare är den lagstiftande skärpningen av toxicitetsstandarder.
Ventiler i förbränningsmotorer används för att styra flödet av gaser in i och ut ur förbränningskammaren . Tidpunkten för ventiltillståndsändringen (öppning eller stängning), tidslängden i ett tillstånd och lyfthöjden för dessa ventiler har stor inverkan på motorns effektivitet . Utan att installera ett system för att ändra ventiltid eller ett system för att ändra ventillyft, kommer ögonblicket för ändring av tillståndet för dessa ventiler att vara oberoende av motorns hastighet och driftsförhållanden, vilket innebär en genomsnittlig inställning av sådana parametrar [1 ] . Det variabla ventiltidssystemet eliminerar denna begränsning, vilket möjliggör förbättrad effektivitet över hela motorns arbetsområde.
I kolvmotorer manövreras ventilerna vanligtvis med hjälp av en kamaxel . Kammarna öppnar ( höjer ) ventilerna under en viss tid ( varaktighet ) under varje insugs- och avgascykel. Öppnings- och stängningsögonblicket för ventilerna är viktigt och beror på vevaxelns läge . Kamaxeln drivs från vevaxeln av en drivrem, kedja eller kugghjul.
För att köra vid höga varvtal kräver motorn en stor volym luft. Men i detta fall kan insugningsventilerna stängas tidigare innan den erforderliga mängden luft kommer in i förbränningskammaren, vilket minskar effektiviteten. Å andra sidan, om motorn är utrustad med en kamaxel som gör att ventilerna kan hållas öppna längre, till exempel sportkammodifieringar, kommer motorn att få problem när den körs med låga hastigheter. Att öppna insugningsventilerna innan avgasventilerna stängs kan orsaka att oförbränt bränsle stöts ut ur motorn, vilket minskar motorns effektivitet och ökar utsläppen.
Tidiga system med variabel ventiltid hade en diskret (stegad) funktionsprincip. Till exempel en inställning för öppning och stängning av ventilerna när motorn går med ett varvtal under 3500 min -1 , den andra inställningen - när motorn går med ett varvtal över 3500 min -1 . Modernare system ger en smidig (steglös) justering av ögonblicket för öppning och stängning av ventilerna. Sådana system möjliggör optimal inställning av gasdistributionsmekanismen för alla hastigheter och motordriftsförhållanden [1] [2] .
En av de enklaste implementeringarna av ett variabelt ventiltidssystem är ett fasskiftningssystem, där kamaxeln kan roteras i någon vinkel framåt eller bakåt i förhållande till vevaxelns position. Samtidigt stänger och öppnar ventilerna (ventilerna :)) tidigare eller senare, dock förblir ventilernas höjd och varaktigheten för öppning och stängning oförändrade. För att kunna justera varaktigheten i det variabla ventiltidssystemet krävs införande av mer komplexa mekanismer, inklusive till exempel flera kamprofiler eller oscillerande kammar.
Sen insugsventil stängning ( eng. late intake valve closing, LIVC ). De första implementeringarna av variabel ventilstängningstid var system som gjorde att ventilen kunde stå öppen längre än i en motor som inte var utrustad med ett sådant system. Resultatet var effekten av att trycka ut luft ur cylindern in i insugningsröret under kompressionscykeln. Luften som pressas ut ur cylindern ökar trycket i insugningsröret, vilket gör att nästa gång insugningsventilen öppnas kommer luft att tillföras cylindern med ett högre tryck. Som ett resultat av införandet av sen stängning av avgasventilerna uppnås en minskning av förlusterna på upp till 40% i insugningskanalen, samt en minskning av utsläppen av kväveoxider ( NOx ) med upp till 24%. Det maximala motorvridmomentet minskas därmed med cirka 1 %, och kolväteutsläppen förändras inte [2] .
Tidig stängning av insugningsventiler ( eng. early intake valve closing, EIVC ). Ett annat sätt att minska förlusterna i insugningskanalen, som är tillämpligt vid låga motorvarvtal, är att skapa ett högt vakuum i insugningsröret med hjälp av tidig stängning av insugningsventilerna. För att uppnå detta måste insugningsventilerna stängas under insugningscykeln. Med låg belastning är motorns behov av bränsle-luftblandningen små, men kraven för att fylla cylindrarna med den är ganska höga, vilket kan uppnås genom att införa tidig stängning av insugningsventilerna [2] . Studier har visat att på motorer med tidig stängning av insugningsventiler finns en minskning av förlusterna i insugningskanalen upp till 40%, samt en ökning av effektiviteten upp till 7%. Det finns också en minskning av kväveoxidutsläppen med upp till 24 % i dellastlägen. En möjlig negativ sida av införandet av tidig stängning av insugsventilerna är en signifikant minskning av temperaturen i förbränningskammaren, vilket kan orsaka en ökning av kolväteutsläppen [2] .
Tidig öppning av insugningsventiler ( eng. öppning av tidig insugningsventil ). Att öppna insugningsventilerna tidigare är ett sätt att avsevärt minska toxiciteten. En traditionell motor använder en process som kallas ventilöverlappning för att kontrollera temperaturen i cylindern. När insugningsventilerna öppnas tidigt kommer en del av avgaserna som strömmar genom insugningsventilen in i insugningsröret, där det svalnar snabbt. Vid intag kommer de inerta avgaserna att fylla cylindern till stor del och därigenom sänka temperaturen i cylindern och minska utsläppen av kväveoxider. Också tidig öppning av insugningsventilerna förbättrar den volymetriska effektiviteten, eftersom volymen av avgaser minskar under avgascykeln [2] .
Tidig och sen stängning av avgasventilerna ( engelska early / late exhaust valve closing ). Införandet av dessa system gör det möjligt att uppnå en minskning av toxiciteten. I en konventionell motor, under avgascykeln, trycker kolvens rörelse avgaserna in i avgasgrenröret och vidare in i avgassystemet. Genom att stänga avgasventilerna tidigt och sent är det möjligt att kontrollera mängden avgaser som finns kvar i cylindern. Genom att låta ventilen vara öppen längre än vanligt, renas den mer fullständigt från avgaser och cylindern fylls med en större volym frisk bränsle-luftblandning. Genom att stänga avgasventilerna tidigt blir det mer avgaser kvar i cylindern, vilket ökar ekonomin. Systemet tillåter motorn att bibehålla effektiviteten i alla driftlägen.
Den huvudsakliga faktorn som hindrar den utbredda utbredda implementeringen av systemet i bilindustrin är skapandet av kostnadseffektiva lösningar för att styra ventiltiderna, beroende på förhållandena i motorn. I en motor som körs med 3000 rpm måste kamaxeln rotera med 25 s− 1 , så ventilöppnings- och stängningstiden måste vara mycket exakt för att få fördelar. Solenoid- och pneumatiska system som inte använder kammar för att aktivera ventiler tillåter maximal noggrannhet vid kontroll av öppning och stängning av ventiler, men från och med 2016 finns det inga kostnadseffektiva implementeringar för massfordonstillverkare.
Historien om att hitta metoder för att ändra varaktigheten för öppningen av ventiler går tillbaka till ångmotorernas dagar , där ändring av varaktigheten för ventilöppningen är känd som "ångskärning". I tidiga ånglok användes den så kallade Stevenson-växellådan, som utförde "cut-off"-ändringen, det vill säga förändringen av tiden efter vilken flödet av ånga in i arbetscylindern stoppade.
Tidiga "cut-off"-växlingssystem kombinerade inkommande ånga "cut-off" med olika implementeringar av avgas-ångavstängning. Frikopplingen av dessa system åstadkoms med utvecklingen av Corliss ångmaskin. Dess princip har använts flitigt i stationära motorer som körs med konstant hastighet med varierande belastning. I dem utfördes kontrollen av "avstängningen" av den inkommande ångan och, som ett resultat, vridmomentet av en centrifugalregulator och avstängningsventiler.
Efter utbredningen av tallriksventiler infördes ett förenklat ventildrivsystem med hjälp av en kamaxel . I sådana motorer kan en förändring i "cut-off" uppnås genom en annan profil av kammarna, som rörde sig längs kamaxeln med en regulator [3] .
I en tidig experimentell V8-motor utvecklad av Clerget-Blin , som utvecklade 200 hk. med., för att ändra ögonblicket för öppning och stängning av ventilen, användes en glidande kamaxel. Vissa Bristol Jupiter radialmotorer i början av 1920-talet har också variabel ventiltid, som främst användes på insugningsventiler för att uppnå högre kompression [4] . Lycoming XR-7755-motorn var utrustad med ett variabelt ventiltidsystem, bestående av två kammar som kunde väljas av piloten: en för start, undvikande av jakt och jakt, den andra för ekonomiska flygningar.
Önskvärdheten av att ha ett system som kunde variera varaktigheten av ventilöppningen för att matcha motorvarvtalet blev uppenbart på 1920-talet när gränsen för det maximalt möjliga motorvarvtalet började öka. Vid den tiden skiljde sig motorhastigheten på tomgång och när den var laddad inte nämnvärt, så det fanns inget behov av att ändra varaktigheten för öppningen av ventilerna. Strax före 1919 utvecklade Lawrence Pomeroy , Vauxhalls chefsdesigner , 4,4 L H-Type-motorn, designad för att ersätta 30-98-modellen som fanns vid den tiden [5] . I den kunde en enda kamaxel röra sig i längdriktningen, vilket gjorde det möjligt att använda olika profiler på den. De första patenten för ventiltidssystem utfärdades 1920, såsom US Patent 1,527,456 .
1958 ansökte Porsche om ett patent i Tyskland och även i Storbritannien , vilket publicerades under nummer GB861369 1959. Porsche-patentet beskrev ett system med oscillerande kammar som används för att öka ventillyft och ventilöppningstid. Desmodromiska ventiler aktiveras av en upp-och-ned-stång ansluten till en excentrisk axel eller brickamekanism . Det är inte känt om någon fungerande prototyp tillverkades.
Fiat var det första företaget som patenterade ett system för att ändra tidpunkten för ventilöppning och stängning, vilket inkluderade ett system för att ändra ventillyfthöjden, praktiskt implementerat på bilar . Ett system utvecklat av Giovanni Torazza ( italienska: Giovanni Torazza ) i slutet av 1960-talet använde hydrauliskt tryck för att ändra ventillyftarnas stödpunkt ( US Patent 3,641,988 ) [6] . Hydraultrycket varierar med motorvarvtalet och lufttrycket i insugningskanalen. Den typiska förändringen i öppettider var 37 %.
Alfa Romeo ( US Patent 4 231 330 ) [7] var det första företaget som började installera variabel ventilöppning och stängningstid på masstillverkade bilar . Bilar med ett bränsleinsprutningssystem av Alfa Romeo Spider- modellen på 1980-talet var utrustade med ett mekaniskt variabelt ventiltidsystem. Det utvecklades av Giampaolo Garcea ( italienska: Giampaolo Garcea ) på 1970 -talet [8] . Alfa Romeo Spider-modeller, från 1983, är utrustade med ett elektroniskt variabelt ventiltidsystem [9] .
1987 introducerade Nissan sitt N-VCT-ventiltidsystem för sina VG20DET- och VG30DE-motorer. . 1989 introducerade Honda också sitt VTEC-system [10] . Medan Nissans tidiga N-VCT-system uteslutande växlade ventiltid, växlar VTEC till en annan kamprofil vid höga motorvarvtal för att öka maximal motoreffekt. Hondas första VTEC-motor var B16A , som installerades i Integra , CR-X och Civic halvkombi som fraktades till Europa och Japan. .
1992 introducerade Porsche VarioCam-systemet, som var det första systemet med mjuk variabel ventiltid (alla tidigare system var stegade). Systemet började installeras på Porsche 968- bilar och fungerade endast på insugningsventiler.
Variabla ventiltider installerades på motorcykelmotorer, men ansågs vara värdelösa "tekniska prov" i slutet av 2004 på grund av viktökningen under installationen av systemet [11] . Därefter släpptes följande motorcyklar med variabelt ventiltidsystem: Kawasaki 1400GTR / Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015) och BMW R1250GS (2019).
System med variabel ventiltid används inte i stor utsträckning på fartygsmotorer. Marinmotorer från Volvo Penta sedan 2004 har utrustats med ett kamtimingssystem som styrs av motorns ECU , vilket smidigt ändrar kamaxelns tidpunkt [12] .
2007 utvecklade Caterpillar motorerna i Acert C13- och C15-serien, som använder variabel ventiltid för att minska kväveoxidutsläppen för att undvika användningen av ett avgasåterföringssystem efter införandet av EPA-kraven 2002 [13] .
2009 utvecklade Mitsubishi och började massproduktion av 4N13 I4 - motorerna med två 1,8-liters kamaxlar. Denna motor blev världens första dieselmotor för personbilar med variabel ventiltid [14] .
Varje motortillverkare har sitt eget namn för denna teknik.
Denna implementering använder olika kamprofiler. Vid ett visst tillfälle (vanligtvis vid ett visst motorvarvtal) växlar drivningen mellan profiler. Med denna metod för att implementera en ändring av ventiltidsinställningen är det också möjligt att ändra ventillyftet och ändra varaktigheten för ventilernas öppning, men denna ändring sker alltid i steg och kan inte vara jämn. Hondas VTEC - system var den första seriella representanten för sådana system . I ett VTEC-system aktiverar en förändring i hydraultrycket ett stift som låser en vipparm som ansvarar för hög ventillyft och långa öppningstider, med en närliggande vipparm som ansvarar för låg ventillyft och korta öppningstider.
Många tillverkade variabla ventiltidssystem fungerar som kamfasning genom enheter som kallas jargs. fasskiftare ( eng. variator ). Detta tillåter smidig justering, men många tidiga sådana system kunde endast utföra stegjustering. Det går dock inte att justera öppningstid och lyfthöjd.
Denna implementering använder oscillerande eller oscillerande rörelser av kamdelarna som fungerar som pådrivare. I sin tur öppnar och stänger ventillyftarna ventilerna. Vissa implementeringar av sådana system använder både en traditionell kamprofil och excentriska profiler och dragstänger. Principen för deras funktion liknar en ångmaskin, där volymen av ånga som kommer in i arbetscylindern styrs av ögonblicket för "cut-off" av ångan. Fördelen med sådana system ligger i den smidiga karaktären av regleringen av ventilernas höjd och öppningens varaktighet. Nackdelen är att ventillyften är proportionell mot öppningens varaktighet, och deras oberoende justering är inte möjlig.
Exempel på sådana system är Valvetronic ( BMW ) [15] , VVEL ( Nissan ) och Valvematic ( Toyota ), där de oscillerande kamsystemen är installerade endast på insugningsventilerna.
Excentriska kamdrivsystem fungerar med hjälp av en excentrisk skivmekanism som minskar och ökar vinkelhastigheten för kamprofilen när den roterar. Att minska denna hastighet medan ventilen är öppen motsvarar att varaktigheten av ventilöppningen ökar. Fördelen med ett sådant system är möjligheten att självständigt justera varaktigheten för öppningen av ventilerna och höjden på lyften [16] (de kan dock inte justeras för lyften). Nackdelarna med dessa system inkluderar deras komplexitet (det är nödvändigt att installera två excentriska enheter och två av deras styrenheter för varje cylinder - ett par enheter för inlopps- och avgasventiler), vilket ökar kostnaden för systemet.
Den enda tillverkaren som implementerade ett sådant system var MG Rover .
I dessa system har kammarna en profil som också varierar längs deras längd i en form [17] som liknar en kon. I ena änden av kammen finns en profil med låg ventillyft och kort öppningstid, i andra änden finns en profil med hög ventillyft och förlängd öppningstid. I mitten av kamlängden finns en mjuk övergång mellan dessa profiler. Smidig justering av ventillyftens höjd och öppningstid kan utföras genom att ventillyftarens kontaktpunkt förskjuts mot kamprofilen. Detta uppnås genom att förflytta kamaxeln axiellt ("glidande" längs motorn), så att den fasta ventillyftaren kommer i kontakt med olika sektioner av kamprofilen, vilket resulterar i olika ventillyft och öppningstider. Nackdelen med dessa system är att kammarnas profil är extremt svår att designa, eftersom utformningen måste säkerställa minimala kontaktspänningar som uppstår vid profiländringar.
Ferrari brukar kallas att använda ett sådant system [18] [19] , men det är fortfarande okänt om sådana system används i dess produktionsmodeller.
Det finns ingen information om användningen av dessa system i seriemotorer.
Systemet består av två tätt placerade kamaxlar och en roterande ventillyftare som drivs av båda kamaxlarna. Rörelsen av denna ventillyftare överför rörelsen av kamprofilerna för båda kamaxlarna samtidigt. Varje kamaxel är utrustad med ett eget variabelt ventiltidsystem, vilket gör att du kan ändra vinkelläget på kamaxlarna i förhållande till vevaxeln. Kamprofilen på en kamaxel styr stängningen av ventilerna, och kamprofilen på den andra kamaxeln styr stängningen av samma ventiler. Således styrs justeringen av varaktigheten av öppningen av ventilerna av intervallet mellan dessa händelser.
Bland nackdelarna med sådana system är:
Det finns ingen information om användningen av dessa system i seriemotorer.
Funktionsprincipen för systemet är också att en stötstång drivs av kamprofiler placerade på två olika kamaxlar. Upp till den vinkelgräns som ventiländradien ställer upp "känner" ventillyftaren kombinationen av ytor på de två kamprofilerna som en slät, kontinuerlig yta. När kammarnas rotation är så inriktad som möjligt, är varaktigheten av ventilöppningen minimal och motsvarar profilen för varje kam individuellt. Omvänt, när vinkeln mellan kammarna under rotation är störst, är varaktigheten av ventilöppningen maximal. Den huvudsakliga begränsningen för sådana system är att det endast är möjligt att justera varaktigheten för öppningen av ventilerna, lika (i grader av kamaxelrörelse) med avrundningen av profilen på den skarpa änden av kammen.
En liknande princip låg till grund för vad som förmodligen var det första kambytessystem som patenterades 1925 av US Patent and Trademark Office ( US Patent 1 527 456 ). Även av denna typ är den så kallade "Clemson-kamaxeln" [23] .
Även "Tvåaxlig kombinerad kamprofil med koaxialaxlar och spiralrörelse", det finns ingen information om användningen av dessa system i seriemotorer.
Principen liknar den tidigare diskuterade, den kan använda samma varaktighetsprofil. Men istället för en enkel platt vridning av kammarna, används en kombination av axiella och roterande rörelser för justering, vilket är en tredimensionell spiralrörelse. Genom en sådan rörelse övervinns begränsningarna förknippade med varaktighet i det tidigare övervägda systemet. Varaktigheten av ventilöppningen är teoretiskt obegränsad, men överstiger vanligtvis inte 100 graders kamaxelrörelse, vilket är tillräckligt för att fungera i de flesta situationer.
Kammarna för sådana system är enligt uppgift svåra och dyra att tillverka, kräver mycket hög precision vid tillverkningen av spiralelementen och måste noggrant monteras.
Dessa motorer inkluderar de motorer som inte kräver en kamaxel för att driva ventilerna. Ventilerna i dessa system har en hög grad av flexibilitet för justering av ventiltid och ventillyft. Från och med 2019 finns det dock inga liknande system tillgängliga för allmänna vägfordon.
Det finns följande typer av motorer utan kammar: