Πώς γίνεται ένα μοτέρ να δουλεύει δικύλινδρα χαμηλά και τετρακύλινδρα ψηλά;

Οι βαλβίδες αλλάζουν χρονισμό ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα.
Μικρή επικάλυψη χαμηλά για ροπή, περισσότερο ψηλά για δύναμη.
Τεχνολογίες που επιτυγχάνουν μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων.
Από δικύλινδρο χαμηλά μέχρι τετρακύλινδρο ψηλά.

mototriti Team

Οι βαλβίδες αλλάζουν χρονισμό ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα.

Για να καταλάβουμε τι κάνει ο μεταβλητός χρονισμός, πρέπει πρώτα να δούμε το πρόβλημα που καλείται να λύσει. Σε έναν συμβατικό κινητήρα, οι εκκεντροφόροι ανοίγουν και κλείνουν τις βαλβίδες σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές, οι οποίες παραμένουν ίδιες ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα περιστρέφεται ο κινητήρας. Ο σχεδιαστής, λοιπόν, πρέπει να επιλέξει έναν συμβιβασμό: χρονισμό που να λειτουργεί καλά στις χαμηλές και μεσαίες στροφές, χωρίς όμως να περιορίζει την απόδοση ψηλά.
Το πρόβλημα είναι ότι ο κινητήρας δεν «αναπνέει» με τον ίδιο τρόπο στις 2.000 και στις 10.000 σ.α.λ. Όσο αυξάνονται οι στροφές, τόσο λιγότερος χρόνος υπάρχει για να γεμίσει ο κύλινδρος με φρέσκο μείγμα και να απομακρυνθούν τα καυσαέρια. Για αυτό στις υψηλές στροφές βοηθά μία μεγαλύτερη επικάλυψη (overlap), δηλαδή το χρονικό διάστημα κατά το οποίο οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής παραμένουν ταυτόχρονα ανοιχτές. Η καλύτερη εκκένωση του κυλίνδρου και η αδράνεια των αερίων μπορούν έτσι να βοηθήσουν την πλήρωση με φρέσκο μείγμα.
Στις χαμηλές στροφές, όμως, το μεγάλο overlap μπορεί να γίνει μειονέκτημα. Η μικρή ταχύτητα των αερίων κάνει πιο εύκολο το φρέσκο μείγμα να περάσει προς την εξαγωγή ή τα καυσαέρια να επιστρέψουν προς την εισαγωγή. Αυτό επηρεάζει τη σταθερότητα της καύσης, τη ροπή χαμηλά και την κατανάλωση. Επομένως, αυτό που θέλει ένας κινητήρας στις 2.000 σ.α.λ. δεν είναι απαραίτητα αυτό που θέλει στις 10.000.
 

Μικρή επικάλυψη χαμηλά για ροπή, περισσότερο ψηλά για δύναμη.

Εδώ μπαίνει η έννοια του Variable Valve Timing, δηλαδή ο μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων. Η βασική ιδέα είναι αρκετά απλή: αντί ο εκκεντροφόρος να έχει μία και μοναδική θέση σε σχέση με τον στρόφαλο, το σύστημα μπορεί να αλλάζει τη σχετική γωνιακή του θέση. Με αυτόν τον τρόπο οι βαλβίδες μπορούν να ανοίγουν ή να κλείνουν νωρίτερα ή αργότερα ή για περισσότερο χρόνο, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας.
Στις χαμηλές στροφές, ο χρονισμός μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να περιορίζεται η επικάλυψη (overlap). Έτσι ο κύλινδρος διατηρεί καλύτερα το φρέσκο μείγμα, η καύση γίνεται πιο σταθερά και ο κινητήρας αποκτά καλύτερη συμπεριφορά και ροπή χαμηλά. Καθώς οι στροφές ανεβαίνουν, ο χρονισμός μεταβάλλεται και μπορεί να αυξηθεί το overlap, επιτρέποντας στα αέρια να κινούνται πιο αποτελεσματικά και στον κινητήρα να συνεχίσει να γεμίζει τον κύλινδρο όταν ο διαθέσιμος χρόνος για κάθε κύκλο μειώνεται.
Στην πράξη, λοιπόν, δεν αλλάζει η βασική λειτουργία του τετράχρονου κινητήρα. Αλλάζει το πότε συμβαίνουν τα γεγονότα. Η βαλβίδα εισαγωγής μπορεί να ανοίξει ή να κλείσει σε διαφορετικό σημείο, το ίδιο μπορεί να συμβεί με την εξαγωγή και έτσι ο κινητήρας αποκτά διαφορετικό χαρακτήρα ανάλογα με τις στροφές και το φορτίο.
 

Τεχνολογίες που επιτυγχάνουν μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων.

Υπάρχουν αρκετοί τρόποι για να γίνει αυτή η δουλειά. Ο πιο συνηθισμένος είναι μέσω ενός μετατοπιστή φάσης εκκεντροφόρου, ένας μηχανισμός που βρίσκεται ανάμεσα στο γρανάζι κίνησης και τον εκκεντροφόρο. Με τη βοήθεια ελεγχόμενης πίεσης λαδιού μπορεί να περιστρέψει τον εκκεντροφόρο λίγες μοίρες σε σχέση με το γρανάζι του, αλλάζοντας έτσι τον χρονισμό των βαλβίδων. Ανάλογα με την κατασκευή, μπορεί να μεταβάλλεται ο χρονισμός στην εισαγωγή, την εξαγωγή ή και των δύο.
Σε πιο απλές λύσεις, η μεταβολή μπορεί να γίνεται σε συγκεκριμένο σημείο των στροφών, δηλαδή ο εκκεντροφόρος να έχει δύο ή περισσότερες προκαθορισμένες θέσεις. Σε πιο εξελιγμένες εφαρμογές, η αλλαγή γίνεται συνεχώς μέσα σε ένα εύρος λειτουργίας, με τον εγκέφαλο να υπολογίζει τη θέση που χρειάζεται ανάλογα με τις στροφές, το φορτίο και άλλες παραμέτρους λειτουργίας. Έτσι δεν υπάρχει απαραίτητα ένα συγκεκριμένο «κλικ» όπου ξαφνικά αλλάζει ο χαρακτήρας του κινητήρα. Υπάρχουν όμως και μηχανικά συστήματα που δεν χρειάζονται ηλεκτροϋδραυλικό έλεγχο. Σε μία τέτοια διάταξη, φυγοκεντρικά βάρη μετακινούνται όσο αυξάνονται οι στροφές και μέσω ειδικών αυλακώσεων αλλάζουν μηχανικά τη σχετική θέση του εκκεντροφόρου. Με αυτόν τον τρόπο η αλλαγή του χρονισμού ακολουθεί απευθείας την αύξηση των στροφών. Μία διαφορετική προσέγγιση είναι η χρήση διαφορετικών προφίλ εκκεντροφόρου. Αντί να αλλάζει μόνο η γωνιακή θέση του ίδιου λοβού, ένας μηχανισμός μπορεί να επιλέγει διαφορετικό προφίλ, με διαφορετικό βύθισμα και διάρκεια ανοίγματος. Έτσι, σε χαμηλές στροφές μπορεί να χρησιμοποιείται ένα πιο ήπιο προφίλ και ψηλά ένα πιο επιθετικό, αλλάζοντας όχι μόνο το πότε ανοίγει η βαλβίδα αλλά και το πόσο και πόσο πολύ ανοίγει.
 

Από δικύλινδρο χαμηλά μέχρι τετρακύλινδρο ψηλά.

Η έκφραση «δικύλινδρο χαμηλά και τετρακύλινδρο ψηλά» δεν είναι φυσικά κυριολεκτική. Ο κινητήρας δεν μπορεί να πετύχει κάτι τέτοιο. Περιγράφει όμως πολύ καλά το αποτέλεσμα που επιδιώκει ο μεταβλητός χρονισμός: να συμπεριφέρεται σαν να έχει δύο διαφορετικούς χαρακτήρες ανάλογα με τις στροφές.
Χαμηλά, η προτεραιότητα είναι η ταχύτητα των αερίων, η σταθερή καύση και η ροπή. Ο κινητήρας δεν χρειάζεται να αναπνέει σαν αγωνιστικός στις 2.000 ή 3.000 σ.α.λ. Χρειάζεται να γεμίζει σωστά τον κύλινδρο χωρίς να δημιουργεί περιττό overlap. Ψηλά, η κατάσταση αντιστρέφεται: οι βαλβίδες πρέπει να εκμεταλλευτούν την αδράνεια των αερίων και τον περιορισμένο χρόνο που υπάρχει για την πλήρωση και την εκκένωση του κυλίνδρου. Εκεί ο διαφορετικός χρονισμός και το μεγαλύτερο overlap μπορούν να βοηθήσουν την απόδοση.
Το κέρδος, επομένως, είναι κυρίως η δυνατότητα να σχεδιαστεί ένας κινητήρας χωρίς να χρειάζεται να θυσιαστεί τόσο έντονα η μία περιοχή λειτουργίας για χάρη της άλλης. Ο μεταβλητός χρονισμός μπορεί να συμβάλει σε μεγαλύτερο εύρος ροπής και ισχύος, καλύτερη λειτουργία σε χαμηλά φορτία και, ανάλογα με τη στρατηγική ελέγχου, χαμηλότερες απώλειες.