Det variable ventiltimingssystem ( VVT ) i forbrændingsmotorer er designet til at ændre ventilåbningstiden og bruges ofte til at forbedre effektivitet, økonomi og toksicitet . Systemet bruges i stigende grad sammen med et variabelt ventilløftsystem. Variabel ventiltiming kan opnås på en række forskellige måder: fuldmekanisk, elektrohydraulisk og kamløst design af motorer. En af årsagerne til introduktionen af variable ventiltimingsystemer af bilproducenter er den lovgivningsmæssige stramning af toksicitetsstandarder.
Ventiler i forbrændingsmotorer bruges til at styre strømmen af gasser ind og ud af forbrændingskammeret . Tidspunktet for ændringen af ventiltilstanden (åbning eller lukning), længden af tid i én tilstand og løftehøjden af disse ventiler har stor indflydelse på motorens effektivitet . Uden installation af et system til ændring af ventiltimingen eller et system til ændring af ventilløftet, vil tidspunktet for ændring af disse ventilers tilstand være uafhængigt af motorens hastighed og driftsbetingelser, hvilket indebærer en gennemsnitlig indstilling af sådanne parametre [1 ] . Det variable ventiltimingssystem eliminerer denne begrænsning, hvilket giver mulighed for forbedret effektivitet i hele motorens driftsområde.
I stempelmotorer aktiveres ventilerne normalt ved hjælp af en knastaksel . Knasterne åbner ( hæver ) ventilerne i et bestemt tidsrum ( varighed ) under hver indsugnings- og udstødningscyklus. Øjeblikket for åbning og lukning af ventilerne er vigtigt og afhænger af krumtapakslens position . Knastakslen drives fra krumtapakslen af en drivrem, kæde eller gear.
For at køre ved høje hastigheder kræver motoren en stor mængde luft. Men i dette tilfælde kan indsugningsventilerne lukke tidligere, før den nødvendige mængde luft kommer ind i forbrændingskammeret, hvilket reducerer effektiviteten. På den anden side, hvis motoren er udstyret med en knastaksel, der gør det muligt for ventilerne at forblive åbne længere, f.eks. sportsknastmodifikationer, vil motoren opleve problemer, når den kører ved lave hastigheder. Åbning af indsugningsventiler før lukning af udstødningsventiler kan forårsage, at uforbrændt brændstof udstødes fra motoren, hvilket reducerer motorens effektivitet og øger emissionerne.
Tidlige variable ventiltidssystemer havde et diskret (trinvist) funktionsprincip. For eksempel én indstilling for åbning og lukning af ventilerne, når motoren kører med en hastighed under 3500 min -1 , den anden indstilling - når motoren kører med en hastighed over 3500 min -1 . Mere moderne systemer giver en jævn (trinløs) justering af tidspunktet for åbning og lukning af ventilerne. Sådanne systemer giver mulighed for optimal tuning af gasfordelingsmekanismen til alle hastigheder og motordriftsforhold [1] [2] .
En af de enkleste implementeringer af et variabelt ventiltimingssystem er et faseskiftsystem, hvor knastakslen kan drejes i en vinkel fremad eller bagud i forhold til krumtapakslens position. Samtidig lukker og åbner ventilerne (ventilerne :)) tidligere eller senere, dog forbliver ventilernes højde og varigheden af åbning og lukning uændret. For at kunne justere varigheden i det variable ventiltimingssystem kræves indførelse af mere komplekse mekanismer, herunder for eksempel flere knastprofiler eller oscillerende knast.
Sen indsugningsventil lukning ( eng. late intake valve closing, LIVC ). De første implementeringer af variabel ventillukningstidspunkt var systemer, der tillod ventilen at stå åben længere end i en motor, der ikke var udstyret med et sådant system. Resultatet var effekten af at skubbe luft ud af cylinderen ind i indsugningsmanifolden under kompressionscyklussen. Den luft, der presses ud af cylinderen, øger trykket i indsugningsmanifolden, hvilket medfører, at der, næste gang indsugningsventilen åbnes, vil blive tilført luft til cylinderen med et højere tryk. Som følge af indførelsen af sen lukning af udstødningsventilerne opnås en reduktion af tab på op til 40 % i indsugningskanalen, samt en reduktion af udledningen af nitrogenoxider ( NOx ) med op til 24 %. Det maksimale motordrejningsmoment reduceres således med cirka 1 %, og kulbrinteemissionerne ændres ikke [2] .
Tidlig lukning af indsugningsventiler ( eng. early intake valve closing, EIVC ). En anden måde at reducere tab i indsugningskanalen, der kan anvendes ved lave motorhastigheder, er at skabe et højt vakuum i indsugningsmanifolden ved at bruge tidlig lukning af indsugningsventilerne. For at opnå dette skal indsugningsventilerne lukke under indsugningscyklussen. Ved lav belastning er motorens behov for brændstof-luftblandingen små, men kravene til at fylde cylindrene med den er ret høje, hvilket kan opnås ved at indføre tidlig lukning af indsugningsventilerne [2] . Undersøgelser har vist, at på motorer med tidlig lukning af indsugningsventiler er der et fald i tab i indsugningskanalen op til 40%, samt en stigning i effektiviteten op til 7%. Der er også en reduktion i nitrogenoxidemissioner på op til 24 % i delbelastningstilstande. En mulig negativ side af indførelsen af tidlig lukning af indsugningsventilerne er et væsentligt fald i temperaturen i forbrændingskammeret, hvilket kan forårsage en stigning i kulbrinte-emissioner [2] .
Tidlig åbning af indsugningsventiler ( eng. tidlig indsugningsventilåbning ). At åbne indsugningsventilerne tidligere er en måde at reducere toksiciteten markant. En traditionel motor bruger en proces kendt som ventiloverlapning til at kontrollere temperaturen i cylinderen. Når indsugningsventilerne åbnes tidligt, kommer en del af udstødningsgasserne, der strømmer gennem indsugningsventilen, ind i indsugningsmanifolden, hvor den afkøles hurtigt. Ved indtag vil de inaktive udstødningsgasser fylde cylinderen i høj grad, hvorved temperaturen i cylinderen reduceres og udledningen af nitrogenoxider reduceres. Også tidlig åbning af indsugningsventilerne forbedrer den volumetriske effektivitet, da mængden af udstødningsgasser reduceres under udstødningscyklussen [2] .
Tidlig og sen lukning af udstødningsventilerne ( engelsk early / late exhaust valve closing ). Indførelsen af disse systemer gør det muligt at opnå en reduktion i toksicitet. I en konventionel motor, under udstødningscyklussen, skubber stemplets bevægelse udstødningsgasserne ind i udstødningsmanifolden og videre ind i udstødningssystemet. Ved at lukke udstødningsventilerne tidligt og sent, er det muligt at kontrollere mængden af tilbageværende udstødningsgas i cylinderen. Ved at lade ventilen stå åben længere end normalt, renses den mere fuldstændigt for udstødningsgasser, og cylinderen fyldes med en større mængde frisk brændstof-luftblanding. Ved at lukke udstødningsventilerne tidligt forbliver der flere udstødningsgasser i cylinderen, hvilket øger økonomien. Systemet gør det muligt for motoren at opretholde effektiviteten i alle driftstilstande.
Den vigtigste faktor, der hindrer den udbredte udbredte implementering af systemet i bilindustrien, er skabelsen af omkostningseffektive løsninger til styring af ventiltimingen, afhængigt af forholdene i motoren. I en motor, der kører ved 3000 rpm , skal knastakslen rotere med 25 s− 1 , så ventilåbnings- og lukketidspunktet skal være meget præcist for at opnå fordele. Magnet- og pneumatiske systemer, der ikke bruger knaster til at aktivere ventiler, tillader maksimal nøjagtighed ved styring af åbning og lukning af ventiler, men fra 2016 er der ingen omkostningseffektive implementeringer for fabrikanter af massekøretøjer.
Historien om at finde metoder til at ændre varigheden af åbningen af ventiler går tilbage til dampmaskinernes dage , hvor ændring af varigheden af åbningen af ventiler er kendt som "dampskæring". I de tidlige damplokomotiver blev der brugt den såkaldte Stevenson gearkasse, som udførte "cut-off" ændringen, det vil sige ændringen i den tid, hvorefter strømmen af damp ind i arbejdscylinderen stoppede.
Tidlige "cut-off" ændringssystemer kombinerede indgående damp "cut-off" med forskellige implementeringer af udstødningsdamp cut-off. Afkoblingen af disse systemer blev skabt med udviklingen af Corliss-dampmaskinen. Dens princip er blevet brugt i vid udstrækning i stationære motorer, der kører med konstant hastighed med varierende belastning. I dem blev kontrollen af "afskæringen" af den indkommende damp og som et resultat af drejningsmomentet udført af en centrifugalregulator og afspærringsventiler.
Efter udbredelsen af tallerkenventiler blev der indført et forenklet ventildrivsystem ved hjælp af en knastaksel . I sådanne motorer kunne en ændring i "cut-off" opnås ved en anden profil af knastene, som bevægede sig langs knastakslen med en regulator [3] .
I en tidlig eksperimentel V8-motor udviklet af Clerget-Blin , som udviklede 200 hk. med., for at ændre tidspunktet for åbning og lukning af ventilen, blev der brugt en glidende knastaksel. Nogle Bristol Jupiter radialmotorer fra begyndelsen af 1920'erne har også variabel ventiltiming, som hovedsageligt blev brugt på indsugningsventiler for at opnå højere kompression [4] . Lycoming XR-7755-motoren var udstyret med et variabelt ventiltimingssystem, bestående af to knaster, der kunne vælges af piloten: en til start, undgå jagt og forfølgelse, den anden til økonomiske flyvninger.
Ønskeligheden af at have et system, der kunne variere varigheden af ventilåbningen for at matche motorhastigheden, blev tydelig i 1920'erne, da grænsen for den maksimalt opnåelige motorhastighed begyndte at stige. På det tidspunkt afveg motorhastigheden i tomgang og når den blev belastet ikke væsentligt, så der var ikke behov for at ændre varigheden af åbningen af ventilerne. Kort før 1919 udviklede Lawrence Pomeroy , Vauxhalls chefdesigner, 4,4 L H-Type-motoren, designet til at erstatte 30-98-modellen, der eksisterede på det tidspunkt [ 5] . I den kunne en enkelt knastaksel bevæge sig i længderetningen, hvilket gjorde det muligt at bruge forskellige profiler på den. De første patenter for ventiltidsstyringssystemer blev udstedt i 1920, såsom US Patent 1.527.456 .
I 1958 ansøgte Porsche om et patent i Tyskland og også i Storbritannien , som blev offentliggjort under nummeret GB861369 i 1959. Porsche-patentet beskrev et system med oscillerende knaster, der bruges til at øge ventilløft og ventilåbningstid. Desmodromiske ventiler aktiveres af en op-og-ned-stang forbundet til en excentrisk aksel eller skivemekanisme . Det vides ikke, om der blev lavet nogen fungerende prototype.
Fiat var det første firma, der patenterede et system til ændring af ventilåbnings- og lukketidspunktet, som omfattede et system til ændring af ventilløftehøjden, praktisk taget implementeret på biler . Et system udviklet af Giovanni Torazza ( italiensk: Giovanni Torazza ) i slutningen af 1960'erne brugte hydraulisk tryk til at ændre omdrejningspunktet på ventilløfterne ( US patent 3.641.988 ) [6] . Hydraulisk tryk varierer med motorhastighed og lufttryk i indsugningskanalen. Den typiske ændring i åbningstid var 37 %.
Alfa Romeo ( US Patent 4 231 330 ) [7] var det første firma, der begyndte at installere variabel ventilåbnings- og lukketid på masseproducerede biler . Biler med et brændstofindsprøjtningssystem af Alfa Romeo Spider -modellen i 1980'erne var udstyret med et mekanisk variabelt ventiltimingssystem. Det blev udviklet af Giampaolo Garcea ( italiensk: Giampaolo Garcea ) i 1970'erne [8] . Alfa Romeo Spider-modeller, der starter fra 1983, er udstyret med et elektronisk variabelt ventiltimingssystem [9] .
I 1987 introducerede Nissan sit N-VCT-ventiltimingssystem til sine VG20DET- og VG30DE-motorer. . I 1989 introducerede Honda også sit VTEC-system [10] . Mens Nissans tidlige N-VCT-systemer udelukkende skiftede ventiltiming, skifter VTEC til en anden knastprofil ved høje motorhastigheder for at øge den maksimale motoreffekt. Hondas første VTEC-motor var B16A , som blev installeret i Integra , CR-X og Civic hatchbacks sendt til Europa og Japan. .
I 1992 introducerede Porsche VarioCam-systemet, som var det første system med jævn variabel ventiltiming (alle tidligere systemer var steppede). Systemet begyndte at blive installeret på Porsche 968 biler og fungerede kun på indsugningsventiler.
Variable ventiltidssystemer blev installeret på motorcykelmotorer, men blev anset for ubrugelige "tekniske prøver" i slutningen af 2004 på grund af vægtstigningen under installationen af systemet [11] . Derefter blev følgende motorcykler med variabel ventiltiming systemer frigivet: Kawasaki 1400GTR / Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015) og BMW R1250GS (2019).
Systemer med variabel ventiltiming er ikke meget brugt på skibsmotorer. Marinemotorer fra Volvo Penta siden 2004 har været udstyret med et knast-timing-system styret af motorens ECU , som jævnt ændrer timingen af knastakslen [12] .
I 2007 udviklede Caterpillar motorerne i Acert C13- og C15-serien, som bruger variabel ventiltiming til at reducere nitrogenoxidemissioner for at undgå brugen af et udstødningsgasrecirkulationssystem efter indførelsen af EPA-krav i 2002 [13] .
I 2009 udviklede og begyndte Mitsubishi masseproduktion af 4N13 I4 -motorerne med to 1,8-liters knastaksler. Denne motor blev verdens første dieselmotor til personbiler med variabel ventiltiming [14] .
Hver motorproducent har sit eget navn for denne teknologi.
Denne implementering bruger forskellige knastprofiler. På et bestemt tidspunkt (normalt ved en bestemt motorhastighed) skifter drevet mellem profiler. Med denne metode til at implementere en ændring i ventiltimingen er det også muligt at ændre ventilløftet og ændre varigheden af ventilernes åbning, dog sker denne ændring altid i trin og kan ikke være jævn. Hondas VTEC -system var den første serielle repræsentant for sådanne systemer . I et VTEC-system aktiverer en ændring i hydraulisk tryk en stift, der låser en vippearm, der er ansvarlig for høj ventilløft og lange åbningstider, med en nærliggende vippearm ansvarlig for lav ventilløft og korte åbningstider.
Mange fremstillede systemer med variabel ventiltiming fungerer som knastfase gennem enheder kendt som jargs. faseskiftere ( eng. variator ). Dette tillader jævn justering, men mange tidlige sådanne systemer kunne kun udføre trinjustering. Det er dog ikke muligt at justere åbningstid og løftehøjde.
Denne implementering anvender oscillerende eller oscillerende bevægelser af knastdelene der fungerer som pushere. Til gengæld åbner og lukker ventilerne for ventilerne. Nogle implementeringer af sådanne systemer bruger både en traditionel knastprofil og excentriske profiler og trækstænger. Princippet for deres drift ligner en dampmaskine, hvor mængden af damp, der kommer ind i arbejdscylinderen, styres af tidspunktet for "afskæring" af dampen. Fordelen ved sådanne systemer ligger i den glatte natur af reguleringen af ventilernes højde og varigheden af åbningen. Ulempen er, at ventilløftet er proportionalt med åbningens varighed, og deres uafhængige justering er ikke mulig.
Eksempler på sådanne systemer er Valvetronic ( BMW ) [15] , VVEL ( Nissan ) og Valvematic ( Toyota ), hvor de oscillerende knastsystemer kun er installeret på indsugningsventilerne.
Excentriske knastdrevsystemer fungerer ved hjælp af en excentrisk skivemekanisme, der mindsker og øger vinkelhastigheden af knastprofilen, når den roterer . Reduktion af denne hastighed, mens ventilen er åben, svarer til at øge varigheden af ventilåbningen. Fordelen ved et sådant system er muligheden for selvstændigt at justere varigheden af ventilernes åbning og løftehøjden [16] (de kan dog ikke justeres til løftet). Ulemperne ved disse systemer inkluderer deres kompleksitet (det er nødvendigt at installere to excentriske drev og to af deres controllere for hver cylinder - et par enheder til indsugnings- og udstødningsventiler), hvilket øger omkostningerne ved systemet.
Den eneste producent, der implementerede et sådant system, var MG Rover .
I disse systemer har knasterne en profil, der også varierer langs deres længde i en form [17] svarende til en kegle. I den ene ende af knasten er der et profil med lavt ventilløft og kort åbningstid, i den anden ende er der et profil med højt ventilløft og forlænget åbningstid. I den midterste del af knastlængden er der en jævn overgang mellem disse profiler. Let justering af ventilløftehøjden og åbningsvarighed kan udføres ved at flytte ventilløfterens kontaktpunkt med knastprofilen. Dette opnås ved at bevæge knastakslen aksialt ("glide" langs motoren), så den faste ventilløfter kommer i kontakt med forskellige sektioner af knastprofilen, hvilket resulterer i forskellige ventilløft og åbningstider. Ulempen ved disse systemer er, at profilen af knastene er ekstremt svær at designe, da designet skal sikre minimale kontaktspændinger som følge af profilændringer.
Ferrari omtales normalt som at bruge et sådant system [18] [19] , men det er stadig uvist, om sådanne systemer bruges i dets produktionsmodeller.
Der er ingen oplysninger om brugen af disse systemer i seriemotorer.
Systemet består af to tæt anbragte knastaksler og en drejeventil, som drives af begge knastaksler. Bevægelsen af denne ventilløfter overfører bevægelsen af knastprofilerne på begge knastaksler samtidigt. Hver knastaksel er udstyret med sit eget variable ventiltimingssystem, som giver dig mulighed for at ændre knastakslernes vinkelposition i forhold til krumtapakslen. Knastprofilen på den ene knastaksel styrer lukningen af ventilerne, og knastprofilen på den anden knastaksel styrer lukningen af de samme ventiler. Således styres justeringen af varigheden af ventilernes åbning af intervallet mellem disse hændelser.
Blandt ulemperne ved sådanne systemer er:
Der er ingen oplysninger om brugen af disse systemer i seriemotorer.
Funktionsprincippet for systemet er også, at den ene stødstang drives af knastprofiler placeret på to forskellige knastaksler. Indtil den vinkelgrænse, der pålægges af ventilenderadius, "føler" ventilløfteren kombinationen af overflader på de to knastprofiler som en glat, sammenhængende overflade. Når drejningen af knastene er så justeret som muligt, er varigheden af ventilåbningen minimal og svarer til profilen af hver knast individuelt. Omvendt, når vinklen mellem knastene under rotation er størst, er varigheden af ventilåbningen maksimal. Hovedbegrænsningen af sådanne systemer er, at det kun er muligt at justere varigheden af åbningen af ventilerne, svarende til (i grader af knastakselbevægelse) med afrundingen af profilen af den skarpe ende af kammen.
Et lignende princip dannede grundlaget for, hvad der sandsynligvis var det første knastskiftesystem, patenteret i 1925 af US Patent and Trademark Office ( US Patent 1.527.456 ). Også af denne type er den såkaldte "Clemson knastaksel" [23] .
Også "Toakslet kombineret knastprofil med koaksiale aksler og spiralbevægelse", er der ingen information om brugen af disse systemer i seriemotorer.
Princippet ligner det tidligere diskuterede, det kan bruge den samme varighedsprofil. Men i stedet for en simpel flad rotation af knasterne, bruges en kombination af aksiale og roterende bevægelser til justering, hvilket er en tredimensionel spiralbevægelse. Gennem en sådan bevægelse overvindes begrænsningerne forbundet med varighed i det tidligere betragtede system. Varigheden af ventilåbningen er teoretisk ubegrænset, men overstiger normalt ikke 100 graders knastakselbevægelse, hvilket er nok til at fungere i de fleste situationer.
Knasterne til sådanne systemer er angiveligt vanskelige og dyre at fremstille, kræver meget høj præcision ved fremstillingen af rulleelementerne og skal samles omhyggeligt.
Disse motorer inkluderer de motorer, der ikke kræver en knastaksel for at betjene ventilerne. Ventilerne i disse systemer har en høj grad af fleksibilitet til justering af ventiltiming og ventilløft. Men fra 2019 er der ingen lignende systemer tilgængelige for offentlige vejkøretøjer.
Der er følgende typer motorer uden knast: