Χρονίσμός & λειτουργία βαλβίδων

Όπως είναι λογικό, όσο αυξάνονται οι στροφές ενός κινητήρα τόσο η διάρκεια μεταξύ των χρόνων μικραίνει με αποτέλεσμα να μπαίνει όλο και λιγότερο φρέσκος αέρας στους θαλάμους καύσης και να ξεμένουν όλο και περισσότερα καυσαέρια. Μία λύση είναι το πρόωρο άνοιγμα των βαλβίδων εισαγωγής και το πρόωρο κλείσιμο των βαλβίδων εξαγωγής. Με άλλα λόγια: πως μπορεί να επιτευχθεί καλύτερη απόδοση του κινητήρα όσο η βελόνα του στροφόμετρου «ανηφορίζει»; Με επικαλύψεις των βαλβίδων (επικάλυψη ή overlap: όταν και οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής μένουν ταυτόχρονα ανοιχτές). Στους παλιότερης τεχνολογίας κινητήρες οι μηχανικοί προσάρμοζαν την επικάλυψη ανάλογα με τις προδιαγραφές του οχήματος. Για παράδειγμα, σε ένα φορτηγάκι το overlap είναι μικρότερο για περισσότερη ροπή χαμηλά και άστο να «λαχανιάζει» ψηλά το μοτέρ. Αντίθετα, σε μοντέλα υψηλών επιδόσεων έχουμε μεγαλύτερη επικάλυψη στις υψηλές στροφές με τίμημα την ροπή στις χαμηλές.
Ωστόσο, δεν μπορούν να υπάρξουν οι ίδιοι βαθμοί επικάλυψης στο ίδιο φάσμα στροφών αφού π.χ. μπορεί να παρουσιαστεί εισροή καυσαερίων προς τη πολλαπλή εισαγωγής ή διαφυγή μίγματος από την βαλβίδα εξαγωγής. Εδώ, την κατάσταση μπαλώνουν τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού (Variable Valve Timing) που επιτρέπουν την διαφοροποίηση των επικαλύψεων σε διαφορετικές στροφές λειτουργίας του κινητήρα αυξάνοντας την ισχύ και βελτιώνοντας θεαματικά την ροπή. Έτσι, το άνοιγμα και το κλείσιμο των βαλβίδων μπορεί να μεταβάλλεται καθώς και η μείωση ή η αύξηση της επικάλυψης. Ωστόσο, πως επιτυγχάνεται ο μεταβλητός χρονισμός;
Στα τέλη της δεκαετίας του ’60 ο Giovanni Torazza επινοεί για την Fiat ένα υδραυλικό σύστημα που μεταβάλει τον χρονισμό και την βύθιση των βαλβίδων. Το 1975 η GM παρουσιάζει ένα παρόμοιο σύστημα για τις βαλβίδες εισαγωγής, στις χαμηλές στροφές, με στόχο την μείωση των εκπομπών ρύπων. Το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με μηχανικό VVT σύστημα ήταν η Alfa Romeo Spider του 1980 με ψεκασμό SPICA. Για να φέρει την επανάσταση η Honda με το CBR400F του 1983 και το περίφημο VTEC που αργότερα πέρασε στα Civic και CRX.

Χρονισμένες μεταβολές
Ο απλούστερος και φτηνότερος κατασκευαστικά τρόπος αφορά στην μεταβολή της φάσης (γωνίας) του εκκεντροφόρου εισαγωγής ως προς τον εισαγωγής κατά μερικές δεκάδες μοίρες, όπως συμβαίνει στο απλό Variocam της Porsche, όπου ένας υδραυλικός μηχανισμός μεταβάλλει τον τεντωτήρα της καδένας.
Στο Vanos της BMW η αλλαγή της γωνίας του εκκεντροφόρου επιτυγχάνεται μέσω μίας συναρμογής γραναζιών που εμπλέκονται υδραυλικά και ελέγχονται ηλεκτρονικά (στο Double-Vanos έχουμε μεταβλητό χρονισμό σε όλες τις βαλβίδες). Παρόμοιο χρονισμό με γρανάζια χρησιμοποιεί και η Mercedes-Benz όπως και η Toyota με το γνωστό VVT-i. Σημειώστε όμως πως ο χρονισμός με μεταβολή της γωνίας του εκκεντροφόρου απλά επιτρέπει το πρόωρο ή το καθυστερημένο άνοιγμα των βαλβίδων αλλά δεν μπορεί να μεταβάλλει και την διάρκεια του ανοίγματος/κλεισίματος. Δηλαδή αν έχουμε πρόωρο άνοιγμα θα έχουμε και πρόωρο κλείσιμο. Ωστόσο, παραμένει ο φτηνότερος κατασκευαστικά τρόπος VVT.
Ένας άλλος τρόπος, πιο πολύπλοκος και πιο ακριβός, αφορά σε ένα μηχανισμό που αλλάζει απευθείας τον χρονισμό των βαλβίδων, όπως συμβαίνει στο VTEC της Honda. Σε κάθε εκκεντροφόρο υπάρχουν δύο σετ από έκκεντρα με διαφορετικό προφίλ που κινούν ζύγωθρα για να μεταβάλλουν τον χρονισμό των βαλβίδων. Παρόμοιο σύστημα έχει υιοθετήσει και η Mitsubishi με το ΜIVEC (Mitsubishi Innovative Valve and Lift Electronic Control System). Στο MIVEC υπάρχει ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα εναλλαγή δύο έκκεντρων με διαφορετικό προφίλ.
Στον κινητήρα 1.6 Κ4Μ του Renault Megane II μία τροχαλία της Delphi αναλαμβάνει να μεταβάλλει τον χρονισμό των βαλβίδων εισαγωγής. Όπως είπαμε, για αλλαγή φάσης του εκκεντροφόρου (εδώ 22,5 μοίρες) μεταβάλλεται μόνο το πότε θα ανοίξουν ή θα κλείσουν οι βαλβίδες αλλά όχι και η διάρκειά τους που παραμένει σταθερή.Στον κινητήρα 1.6 Κ4Μ του Renault Megane II μία τροχαλία της Delphi αναλαμβάνει να μεταβάλλει τον χρονισμό των βαλβίδων εισαγωγής. Όπως είπαμε, για αλλαγή φάσης του εκκεντροφόρου (εδώ 22,5 μοίρες) μεταβάλλεται μόνο το πότε θα ανοίξουν ή θα κλείσουν οι βαλβίδες αλλά όχι και η διάρκειά τους που παραμένει σταθερή.

Βυθισμένες μεταβολές
Η φυσική εξέλιξη των συστημάτων VVT ήταν η μεταβολή του βυθίσματος των βαλβίδων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το Variocam Plus της Porsche που εμφανίστηκε το 1991 στην 968. Στην Honda μερικές σχεδιαστικές αλλαγές στην γεωμετρία των έκκεντρων σε συνδυασμό με την αλλαγή φάσης του εκκεντροφόρου μας δίνουν το i-VTEC.
Στο VarioCam Plus της Porsche περιλαμβάνονται δύο διαφορετικού προφίλ έκκεντρα που καθορίζουν την μεταβλητή βύθιση των βαλβίδων. Υπάρχει ένα μικρό στη μέση και δύο μεγαλύτερα στις άκρες. Στο ρελαντί το μεγάλο έκκεντρο απομονώνεται και το μικρό έκκεντρο καθορίζει την βύθιση των βαλβίδων (περίπου στα 3 mm). Στις υψηλές στροφές η μεγαλύτερη βύθιση των βαλβίδων επιτρέπει την γρήγορη εισροή φρέσκου αέρα και την ταχύτερη απαγωγή των καυσαερίων από τους θαλάμους καύσης.
Στις χαμηλές στροφές κάτι τέτοιο δεν είναι επιθυμητό καθώς οι βαλβίδες αργούν να κλείσουν και τα κατάλοιπα της καύσης ανακατεύονται με το μίγμα (σ.σ. ελάχιστο μέρος των καυσαερίων είναι επιθυμητό να παραμένει στον θάλαμο καθώς ψεκάζεται λιγότερο καύσιμο μίγμα προς όφελος της κατανάλωσης). Για αυτό και το αυξημένο βύθισμα εμφανίζεται κατά κύριο λόγο μόνο ψηλά με τον μεταβλητό χρονισμό να κάνει όλη την δουλειά χαμηλά. Εξαίρεση από τον κανόνα αποτελούν τα συστήματα συνεχούς μεταβαλλόμενης βύθισης όπως τα Valvetronic, VVEL και Valvematic.
Στo σύστημα VVTL-i της Toyota μία σφήνα κλειδώνει το κοκοράκι που αφήνει την βαλβίδα να βυθιστεί πιο ψηλά στις υψηλές στροφές λειτουργίας. Το σκαλοπάτι ισχύος γίνεται άμεσα αντιληπτό από τον οδηγό στις 6.000 σ.α.λ. ακόμη και από τον ήχο που βγάζει το μοτέρ της Celica με τους 190 ίππους. Ένα σχετικά νεώτερο σύστημα VVT με βύθιση είναι το Valvelift της Audi που είναι απλούστερο από το i-VTEC και από το VVTL-i καθώς δεν χρησιμοποιεί υδραυλικά κόλπα ή σετ με έκκεντρα. Μεταλλικοί πείροι κατά μία έννοια «κλειδώνουν» τη διαδρομή των ειδικά διαμορφωμένων έκκεντρων και τα υποχρεώνουν να διαγράψουν μεγαλύτερη ή μικρότερη τροχιά, μεταβάλλοντας με αυτό τον τρόπο τη βύθιση των βαλβίδων.
Συνεχίζοντας φτάνουμε στα συστήματα CVVL (Continuous Variable Valve Lift (CVVL) που προσφέρουν συνεχώς μεταβαλλόμενη βύθιση των βαλβίδων (και όχι σε ορισμένες στροφές λειτουργίας) προσφέροντας μικρή αύξηση της ισχύος στις υψηλές στροφές αλλά σημαντική μείωση της κατανάλωσης στο μεγαλύτερο εύρος. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το Valvetronic της BMW (βελτίωση της κατανάλωσης) αλλά και το VVEL της Nissan που ταιριάζει γάντι σε κινητήρες σπορ μοντέλων όπως είναι το Infinity G37 ή το Nissan 370Ζ (βελτίωση της απόδοσης ψηλά).
Ακόμη καλύτερο όμως φαίνεται να είναι το Valvematic της Toyota που προσφέρει αύξηση της ισχύος (έως 10%), μείωση της κατανάλωσης (5-10%) αλλά είναι πιο κόμπακτ και απλό δομικά από ότι τα Valvetronic και VVEL. Στο σύνολο του το Valvematic απαρτίζεται έναν πρόσθετο άξονα που βρίσκεται ανάμεσα στους εκκεντροφόρους εισαγωγής και εξαγωγής, τον μηχανισμό που υποβοηθά στην μεταβολή της βύθισης και βρίσκεται από την μεριά του βολάν καθώς και το διπλό VVTi που «καθαρίζει» κυρίως στις χαμηλές στροφές.
Όπως φαίνεται και στο σχήμα με την γαλάζια απόχρωση τονίζεται ο πρόσθετος άξονας με τον εκκεντροφόρο εισαγωγής. Ο ενδιάμεσος άξονας φέρει σετ όσα είναι και οι κύλινδροι. Οι βαλβίδες εισαγωγής κινούνται από τα έκκεντρα που παίρνουν κίνηση από τον ενδιάμεσο άξονα. Κάθε μηχανισμός αποτελείται από δύο δακτυλίους που ανάμεσα στους παρεμβάλλεται ένα ρόλερ. Οι δακτύλιοι και το ρόλερ στρέφονται πάνω στις οδοντώσεις του άξονα και την κίνησή τους την κανονίζει ένας ηλεκτροκινητήρας που βρίσκεται στην μεριά του βολάν. Οι οδοντώσεις και στα τρία στοιχεία είναι λοξές αλλά εκείνες του ρόλερ έχουν αντίθετη φορά και κάθε φορά που ο άξονας περιστρέφεται έχει ως αποτέλεσμα οι δακτύλιοι να κινούνται αντίθετα και να απομακρύνονται ή να πλησιάζουν από το ρόλερ. Έτσι, μπορεί να μεταβληθεί η γωνία του άξονα άρα και η βύθιση των βαλβίδων στον δίλιτρο κινητήρα με τους 158 ίππους μπορεί να αλλάξει από 0.97 χιλιοστά μέχρι 11 χιλιοστά.
Ένα από τα πιο πρόσφατα συστήματα ηλετροϋδραυλικού ελέγχου της βύθισης και του ανοίγματος των βαλβίδων είναι το Multiair της Fiat. Μία ιδιαίτερα ευέλικτη πατέντα με πολλά πλεονεκτήματα και το μόνο που μένει είναι να αποδείξει την αξιοπιστία της…

Πηγή: https://www.caroto.gr/2009/04/20/vvt-%cf%83%cf%85%cf%83%cf%84%ce%ae%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%b1-%ce%bc%ce%b5%cf%84%ce%b1%ce%b2%ce%bb%ce%b7%cf%84%ce%bf%cf%8d-%cf%87%cf%81%ce%bf%ce%bd%ce%b9%cf%83%ce%bc%ce%bf%cf%8d/