Sistemul de sincronizare variabilă a supapelor ( VVT ) din motoarele cu ardere internă este conceput pentru a modifica timpul de deschidere a supapelor și este adesea folosit pentru a îmbunătăți eficiența, economia și toxicitatea. Sistemul este din ce în ce mai utilizat împreună cu un sistem variabil de ridicare a supapelor. Distribuția variabilă a supapelor poate fi realizată într-o varietate de moduri: design complet mecanic, electro-hidraulic și fără came a motoarelor. Unul dintre motivele pentru introducerea sistemelor de sincronizare variabilă a supapelor de către producătorii de automobile este înăsprirea legislativă a standardelor de toxicitate.
Supapele din motoarele cu ardere internă sunt utilizate pentru a controla fluxul de gaze în și în afara camerei de ardere . Momentul schimbării stării supapelor (deschidere sau închidere), durata de timp într-o stare și înălțimea de ridicare a acestor supape au un impact mare asupra eficienței motorului . Fără instalarea unui sistem de modificare a temporizării supapelor sau a unui sistem de schimbare a ridicării supapelor, momentul schimbării stării acestor supape va fi independent de turația și condițiile de funcționare ale motorului, ceea ce implică o setare medie a unor astfel de parametri [1] ] . Sistemul de sincronizare variabilă a supapelor elimină această limitare, permițând o eficiență îmbunătățită pe întreaga gamă de funcționare a motorului.
La motoarele cu piston , supapele sunt de obicei actionate cu ajutorul unui arbore cu came . Camele deschid ( ridică ) supapele pentru o anumită perioadă de timp ( durată ) în timpul fiecărui ciclu de admisie și evacuare. Momentul deschiderii si inchiderii supapelor este important si depinde de pozitia arborelui cotit . Arborele cu came este antrenat de la arborele cotit de o curea de transmisie, un lanț sau un angrenaj.
Pentru a funcționa la viteze mari, motorul necesită un volum mare de aer. Cu toate acestea, în acest caz, supapele de admisie se pot închide mai devreme înainte ca cantitatea necesară de aer să intre în camera de ardere, ceea ce reduce eficiența. Pe de altă parte, dacă motorul este echipat cu un arbore cu came care permite supapelor să rămână deschise mai mult timp, cum ar fi modificările cu came sport, motorul va întâmpina probleme atunci când rulează la turații mici. Deschiderea supapelor de admisie înainte de închiderea supapelor de evacuare poate duce la eliminarea combustibilului nears din motor, reducând randamentul motorului și crescând emisiile.
Sistemele timpurii de sincronizare variabilă a supapelor aveau un principiu de funcționare discret (în trepte). De exemplu, o setare pentru deschiderea și închiderea supapelor atunci când motorul funcționează la o turație sub 3500 min -1 , a doua setare - când motorul funcționează la o turație peste 3500 min -1 . Sistemele mai moderne produc o reglare lină (în trepte) a momentului de deschidere și închidere a supapelor. Astfel de sisteme permit reglarea optimă a mecanismului de distribuție a gazului pentru orice viteză și condiții de funcționare a motorului [1] [2] .
Una dintre cele mai simple implementări ale unui sistem de sincronizare variabilă a supapelor este un sistem de defazare, în care arborele cu came poate fi rotit la un anumit unghi înainte sau înapoi în raport cu poziția arborelui cotit. În același timp, supapele (valvele :))) se închid și se deschid mai devreme sau mai târziu, totuși, înălțimea supapelor și durata deschiderii și închiderii rămân neschimbate. Pentru a putea regla durata în sistemul de sincronizare variabilă a supapelor, este necesară introducerea unor mecanisme mai complexe, inclusiv, de exemplu, mai multe profile de came sau came oscilante.
Închidere tardivă a supapei de admisie ( de exemplu, închidere tardivă a supapei de admisie, LIVC ) . Primele implementări ale temporizării variabile de închidere a supapelor au fost sisteme care au permis ca supapa să fie lăsată deschisă mai mult timp decât la un motor care nu este echipat cu un astfel de sistem. Rezultatul a fost efectul de împingere a aerului din cilindru în galeria de admisie în timpul ciclului de compresie. Aerul forțat să iasă din cilindru crește presiunea în galeria de admisie, drept urmare, la următoarea deschidere a supapei de admisie, aerul va fi furnizat cilindrului la o presiune mai mare. Ca urmare a introducerii închiderii tardive a supapelor de evacuare, se realizează o reducere a pierderilor de până la 40% în tractul de admisie, precum și o reducere a emisiilor de oxizi de azot ( NOx ) cu până la 24%. Cuplul maxim al motorului este astfel redus cu aproximativ 1%, iar emisiile de hidrocarburi nu se modifică [2] .
Închiderea timpurie a supapelor de admisie ( ing. închiderea timpurie a supapelor de admisie, EIVC ). O altă modalitate de a reduce pierderile în tractul de admisie, aplicabilă la turații mici ale motorului, este crearea unui vid ridicat în galeria de admisie folosind închiderea timpurie a supapelor de admisie. Pentru a realiza acest lucru, supapele de admisie trebuie să se închidă în timpul ciclului de admisie. Cu o sarcină mică, nevoile motorului pentru amestecul combustibil-aer sunt mici, dar cerințele pentru umplerea cilindrilor cu acesta sunt destul de mari, ceea ce se poate realiza prin introducerea închiderii timpurii a supapelor de admisie [2] . Studiile au arătat că la motoarele cu închiderea timpurie a supapelor de admisie, există o scădere a pierderilor în tractul de admisie cu până la 40%, precum și o creștere a eficienței până la 7%. Există, de asemenea, o reducere a emisiilor de oxizi de azot de până la 24% în modurile de încărcare parțială. O posibilă parte negativă a introducerii închiderii timpurii a supapelor de admisie este o scădere semnificativă a temperaturii în camera de ardere, care poate determina o creștere a emisiilor de hidrocarburi [2] .
Deschiderea timpurie a supapelor de admisie ( ing. deschidere timpurie a supapelor de admisie ). Deschiderea mai devreme a supapelor de admisie este o modalitate de a reduce semnificativ toxicitatea. Un motor tradițional folosește un proces cunoscut sub numele de suprapunere a supapelor pentru a controla temperatura în cilindru. Când supapele de admisie sunt deschise devreme, o parte din gazele de evacuare care curg prin supapa de admisie intră în galeria de admisie, unde se răcește rapid. La admisie, gazele de evacuare inerte vor umple cilindrul în mare măsură, reducând astfel temperatura în cilindru și reducând emisiile de oxizi de azot. De asemenea, deschiderea timpurie a supapelor de admisie îmbunătățește eficiența volumetrică, deoarece volumul gazelor de evacuare este redus în timpul ciclului de evacuare [2] .
Închiderea devreme și târzie a supapelor de evacuare ( în engleză închiderea devreme/târzie a supapelor de evacuare ). Introducerea acestor sisteme face posibilă realizarea unei reduceri a toxicității. Într-un motor convențional, în timpul ciclului de evacuare, mișcarea pistonului împinge gazele de eșapament în galeria de evacuare și mai departe în sistemul de evacuare. Închizând supapele de evacuare devreme și târziu, este posibil să se controleze cantitatea de gaze de evacuare rămase în cilindru. Lăsând supapa deschisă mai mult decât de obicei, aceasta este mai complet curățată de gazele de eșapament și cilindrul este umplut cu un volum mai mare de amestec combustibil-aer proaspăt. Prin închiderea devreme a supapelor de evacuare, în cilindru rămân mai multe gaze de evacuare, ceea ce crește economia. Sistemul permite motorului să mențină eficiența în toate modurile de funcționare.
Principalul factor care împiedică implementarea pe scară largă a sistemului în industria auto este crearea de soluții rentabile pentru controlul sincronizarii supapelor, în funcție de condițiile din motor. La un motor care functioneaza la 3000 rpm , arborele cu came trebuie sa se roteasca la 25 s− 1 , asa ca sincronizarea deschiderii si inchiderii supapei trebuie sa fie foarte precisa pentru a obtine beneficii. Sistemele solenoide și pneumatice care nu folosesc came pentru a acționa supapele permit o precizie maximă în controlul deschiderii și închiderii supapelor, cu toate acestea, din 2016, nu există implementări rentabile pentru producătorii de vehicule de masă.
Istoria găsirii metodelor de modificare a duratei deschiderii supapelor datează din vremea motoarelor cu abur , unde schimbarea duratei deschiderii supapelor este cunoscută sub denumirea de „tăiere cu abur”. La primele locomotive cu abur, a fost folosită așa-numita cutie de viteze Stevenson, care a efectuat schimbarea „decupării”, adică modificarea timpului după care s-a oprit fluxul de abur în cilindrul de lucru.
Sistemele timpurii de schimbare a „decupării” combinau „decuplarea” aburului de intrare cu diferite implementări ale opririi aburului de evacuare. Decuplarea acestor sisteme a fost realizată odată cu dezvoltarea motorului cu abur Corliss. Principiul său a fost utilizat pe scară largă în motoarele staționare care funcționează la viteză constantă cu sarcini variabile. În acestea, controlul „închiderii” aburului de intrare și, ca urmare, a cuplului, a fost efectuat de un regulator centrifugal și supape de închidere.
După răspândirea supapelor cu clapete , a fost introdus un sistem simplificat de antrenare a supapelor prin intermediul unui arbore cu came . În astfel de motoare, o schimbare a „decupării” ar putea fi realizată printr-un profil diferit al camelor, care se deplasează de-a lungul arborelui cu came cu un regulator [3] .
Într-un motor V8 experimental timpuriu dezvoltat de Clerget-Blin , care a dezvoltat 200 CP. cu., pentru modificarea momentului deschiderii si inchiderii supapei s- a folosit un arbore cu came culisant . Unele motoare radiale Bristol Jupiter de la începutul anilor 1920 au, de asemenea, sincronizare variabilă a supapelor, care a fost folosită în principal pe supapele de admisie pentru a obține o compresie mai mare [4] . Motorul Lycoming XR-7755 era echipat cu un sistem variabil de sincronizare a supapelor, format din două came care puteau fi selectate de pilot: una pentru decolare, evitând urmărirea și urmărirea, cealaltă pentru zboruri economice.
Dorința de a avea un sistem care ar putea varia durata de deschidere a supapelor pentru a se potrivi cu turația motorului a devenit evidentă în anii 1920, pe măsură ce limita turației maxime realizabile a motorului a început să crească. Până la acel moment, turația motorului la ralanti și atunci când era încărcat nu diferă semnificativ, așa că nu era nevoie să se schimbe durata de deschidere a supapelor. Cu puțin înainte de 1919, Lawrence Pomeroy , proiectantul șef al lui Vauxhall , a dezvoltat motorul de 4,4 L H-Type, conceput pentru a înlocui modelul 30-98 care exista la acea vreme [5] . În el, un singur arbore cu came se putea deplasa longitudinal, ceea ce a făcut posibilă utilizarea diferitelor profile pe acesta. Primele brevete pentru sistemele de sincronizare a supapelor au fost emise în 1920, cum ar fi brevetul US 1.527.456 .
În 1958 , Porsche a solicitat un brevet în Germania și, de asemenea, în Marea Britanie , care a fost publicat sub numărul GB861369 în 1959. Brevetul Porsche a descris un sistem cu came oscilante care este folosit pentru a crește ridicarea supapelor și timpul de deschidere a supapelor. Supapele desmodromice sunt acționate de o tijă de sus și de jos conectată la un arbore excentric sau un mecanism de șaibă . Nu se știe dacă a fost realizat vreun prototip funcțional.
Fiat a fost prima companie care a brevetat un sistem de modificare a temporizării de deschidere și închidere a supapelor, care includea un sistem de modificare a înălțimii de ridicare a supapelor, implementat practic pe autoturisme . Un sistem dezvoltat de Giovanni Torazza (în italiană: Giovanni Torazza ) la sfârșitul anilor 1960 a folosit presiunea hidraulică pentru a schimba punctul de sprijin al ridicătorilor de supape ( Brevetul SUA 3.641.988 ) [6] . Presiunea hidraulică variază în funcție de turația motorului și presiunea aerului în tractul de admisie. Modificarea tipică a timpului de deschidere a fost de 37%.
Alfa Romeo ( brevetul SUA 4 231 330 ) [7] a fost prima companie care a început să instaleze sincronizarea variabilă a deschiderii și închiderii supapelor pe mașinile produse în serie . Mașinile cu un sistem de injecție de combustibil al modelului Alfa Romeo Spider în anii 1980 au fost echipate cu un sistem de sincronizare mecanic variabil al supapelor. A fost dezvoltat de Giampaolo Garcea ( italian: Giampaolo Garcea ) în anii 1970 [8] . Modelele Alfa Romeo Spider, începând din 1983, sunt echipate cu un sistem electronic de sincronizare variabilă a supapelor [9] .
În 1987, Nissan a introdus sistemul său de sincronizare a supapelor N-VCT pentru motoarele sale VG20DET și VG30DE. . În 1989 , Honda a introdus și sistemul său VTEC [10] . În timp ce primele sisteme N-VCT de la Nissan schimbau exclusiv sincronizarea supapelor, VTEC comută la un alt profil de came la turații mari ale motorului pentru a crește puterea maximă a motorului. Primul motor VTEC al Honda a fost B16A , care a fost instalat în hatchback -urile Integra , CR-X și Civic livrate în Europa și Japonia. .
În 1992, Porsche a introdus sistemul VarioCam, care a fost primul sistem cu sincronizare variabilă a supapelor (toate sistemele anterioare au fost trepte). Sistemul a început să fie instalat pe mașinile Porsche 968 și a funcționat doar la supapele de admisie.
Pe motoarele de motociclete au fost instalate sisteme de sincronizare variabilă a supapelor, dar au fost considerate „probe tehnice” inutile la sfârșitul anului 2004 din cauza creșterii greutății în timpul instalării sistemului [11] . După aceea, au fost lansate următoarele motociclete cu sisteme de sincronizare variabilă a supapelor: Kawasaki 1400GTR / Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015) și BMW R1250GS (2019).
Sistemele de sincronizare variabilă a supapelor nu sunt utilizate pe scară largă pe motoarele navelor. Motoarele marine de la Volvo Penta din 2004 au fost echipate cu un sistem de sincronizare cu came controlat de ECU al motorului , care schimbă fără probleme sincronizarea arborelui cu came [12] .
În 2007, Caterpillar a dezvoltat motoarele din seriile Acert C13 și C15, care utilizează sincronizarea variabilă a supapelor pentru a reduce emisiile de oxid de azot, pentru a evita utilizarea unui sistem de recirculare a gazelor de eșapament după introducerea cerințelor EPA în 2002 [13] .
În 2009, Mitsubishi a dezvoltat și a început producția de masă a motoarelor 4N13 I4 cu doi arbori cu came de 1,8 litri. Acest motor a devenit primul motor diesel din lume pentru autoturisme cu sincronizare variabilă a supapelor [14] .
Fiecare producător de motoare are propriul nume pentru această tehnologie.
Această implementare folosește profiluri de came diferite. La un anumit moment (de obicei la o anumită turație a motorului), sistemul de acționare comută între profiluri. Cu această metodă de implementare a unei modificări a temporizării supapelor, este, de asemenea, posibilă modificarea ridicării supapei și modificarea duratei deschiderii supapelor, cu toate acestea, această schimbare are loc întotdeauna în trepte și nu poate fi lină. Sistemul VTEC de la Honda a fost primul reprezentant de serie al unor astfel de sisteme . Într-un sistem VTEC, o modificare a presiunii hidraulice acționează un știft care blochează un culbutor responsabil pentru ridicarea mare a supapei și timpii lungi de deschidere, cu un culbutor în apropiere responsabil pentru ridicarea scăzută a supapei și timpii scurti de deschidere.
Multe sisteme de sincronizare variabilă a supapelor fabricate funcționează ca treptarea camei prin dispozitive cunoscute sub numele de jargs. defazatoare ( ing. variator ). Acest lucru permite o ajustare lină, cu toate acestea, multe astfel de sisteme timpurii ar putea efectua doar ajustarea în trepte. Cu toate acestea, nu este posibilă reglarea timpului de deschidere și a înălțimii de ridicare.
Această implementare folosește mișcări oscilante sau oscilante ale părților came care actioneaza ca impingatori. La rândul lor, tachetele deschid și închid supapele. Unele implementări ale unor astfel de sisteme folosesc atât un profil tradițional de came, cât și profile excentrice și tiranți. Principiul funcționării lor este similar cu un motor cu abur, unde volumul de abur care intră în cilindrul de lucru este controlat de momentul „închiderii” aburului. Avantajul unor astfel de sisteme constă în natura netedă a reglarii înălțimii supapelor și a duratei deschiderii. Dezavantajul este că ridicarea supapei este proporțională cu durata deschiderii, iar reglarea lor independentă nu este posibilă.
Exemple de astfel de sisteme sunt Valvetronic ( BMW ) [15] , VVEL ( Nissan ) și Valvematic ( Toyota ), în care sistemele cu came oscilante sunt instalate doar pe supapele de admisie.
Sistemele de antrenare cu came excentrice funcționează prin intermediul unui mecanism cu disc excentric care scade și crește viteza unghiulară a profilului camei pe măsură ce acesta se rotește. Scăderea acestei viteze în timp ce supapa este deschisă corespunde creșterii duratei deschiderii supapei. Avantajul unui astfel de sistem este capacitatea de a regla independent durata deschiderii supapelor și înălțimea ascensorului [16] (cu toate acestea, acestea nu pot fi reglate pentru ascensor). Dezavantajele acestor sisteme includ complexitatea lor (este necesar să instalați două unități excentrice și două controlere ale acestora pentru fiecare cilindru - o pereche de dispozitive pentru supapele de admisie și evacuare), ceea ce crește costul sistemului.
Singurul producător care a implementat un astfel de sistem a fost MG Rover .
În aceste sisteme, camele au un profil care variază și pe lungimea lor într-o formă [17] asemănătoare unui con. La un capăt al camei există un profil cu ridicare redusă a supapei și timp scurt de deschidere, la celălalt capăt există un profil cu ridicare mare a supapei și timp extins de deschidere. În partea de mijloc a lungimii camei există o tranziție lină între aceste profile. Reglarea lină a înălțimii ridicării supapei și a duratei de deschidere poate fi efectuată prin deplasarea punctului de contact al ridicătorului supapei cu profilul camei. Acest lucru se realizează prin deplasarea axială a arborelui cu came („alunecare” de-a lungul motorului), astfel încât dispozitivul de ridicare a supapei fixe va intra în contact cu diferite secțiuni ale profilului camei, rezultând ridicări ale supapelor și timpi de deschidere diferite. Dezavantajul acestor sisteme este că profilul camelor este extrem de dificil de proiectat, deoarece proiectarea trebuie să asigure tensiuni minime de contact care decurg din modificările profilului.
Ferrari este de obicei menționat ca folosind un astfel de sistem [18] [19] , cu toate acestea, rămâne necunoscut dacă astfel de sisteme sunt utilizate în modelele sale de producție.
Nu există informații despre utilizarea acestor sisteme în motoarele în serie.
Sistemul constă din doi arbori cu came distanțați strâns și un tachetă rotativ care este antrenat de ambii arbori cu came. Mișcarea acestui tachet transmite simultan mișcarea profilelor cu came ale ambilor arbori cu came. Fiecare arbore cu came este echipat cu propriul sistem de sincronizare variabilă a supapelor, care vă permite să schimbați poziția unghiulară a arborilor cu came în raport cu arborele cotit. Profilul cu came de pe un arbore cu came controlează închiderea supapelor, iar profilul cu came de pe celălalt arbore cu came controlează închiderea acelorași supape. Astfel, reglarea duratei de deschidere a supapelor este controlată de intervalul dintre aceste evenimente.
Printre dezavantajele unor astfel de sisteme se numără:
Nu există informații despre utilizarea acestor sisteme în motoarele în serie.
Principiul de funcționare al sistemului este, de asemenea, că o tijă de împingere este antrenată de profile cu came situate pe doi arbori cu came diferiți. Până la limita de unghi impusă de raza capătului tachetului, tachetul „simte” combinația suprafețelor celor două profile cu came ca pe o suprafață netedă, continuă. Când rotația camelor este cât mai aliniată posibil, durata deschiderii supapei este minimă și corespunde profilului fiecărei came în mod individual. În schimb, când unghiul dintre came în timpul rotației este cel mai mare, durata deschiderii supapei este maximă. Principala limitare a unor astfel de sisteme este că este posibilă doar reglarea duratei de deschidere a supapelor, egală (în grade de mișcare a arborelui cu came) cu rotunjirea profilului capătului ascuțit al camei.
Un principiu similar a stat la baza a ceea ce a fost probabil primul sistem de schimbare a camei brevetat în 1925 de către Oficiul pentru Brevete și Mărci din SUA ( US Patent 1.527.456 ). Tot de acest tip este și așa-numitul „arbor cu came Clemson” [23] .
De asemenea, „Profil de came combinat cu doi arbori cu arbori coaxiali și mișcare elicoidală”, nu există informații despre utilizarea acestor sisteme în motoarele de serie.
Principiul este similar cu cel discutat anterior, se poate folosi același profil de durată. Cu toate acestea, în loc de o simplă rotație plată a camelor, pentru reglare este utilizată o combinație de mișcări axiale și de rotație, care este o mișcare elicoidală tridimensională. Printr-o astfel de mișcare sunt depășite limitările asociate cu durata în sistemul considerat anterior. Durata deschiderii supapei este teoretic nelimitată, dar de obicei nu depășește 100 de grade de mișcare a arborelui cu came, ceea ce este suficient pentru a funcționa în majoritatea situațiilor.
Camele pentru astfel de sisteme sunt, se pare, dificil și costisitor de fabricat, necesită o precizie foarte mare în fabricarea elementelor de rulare și trebuie asamblate cu grijă.
Aceste motoare includ acele motoare care nu necesită un arbore cu came pentru a acționa supapele. Supapele din aceste sisteme au un grad ridicat de flexibilitate pentru reglarea temporizării supapelor și a ridicării supapei. Cu toate acestea, din 2019, nu există sisteme similare disponibile pentru vehiculele rutiere publice.
Există următoarele tipuri de motoare fără came: