A belső égésű motorokban a változó szelepidőzítés ( VVT ) rendszert a szelep nyitási idejének megváltoztatására tervezték, és gyakran használják a hatékonyság, a gazdaságosság és a toxicitás javítására. A rendszert egyre gyakrabban használják változó szelepemelő rendszerrel együtt. A változtatható szelep-időzítés többféle módon érhető el: teljesen mechanikus, elektrohidraulikus és bütyök nélküli motorok kialakításával. A változtatható szelepvezérlésű rendszerek autógyártók általi bevezetésének egyik oka a toxicitási szabványok jogszabályi szigorítása.
A belső égésű motorok szelepei a gázok égéstérbe történő be- és kiáramlásának szabályozására szolgálnak . A szelepállapot-változtatás (nyitás vagy zárás) időzítése, az egy állapotban eltöltött idő és a szelepek emelési magassága nagy hatással van a motor hatásfokára . A szelepvezérlés vagy a szelepemelés megváltoztatására szolgáló rendszer telepítése nélkül ezeknek a szelepeknek az állapotváltozásának pillanata független lesz a motor fordulatszámától és működési feltételeitől, ami az ilyen paraméterek átlagos beállítását jelenti [1 ] . A változtatható szelep-időzítő rendszer kiküszöböli ezt a korlátozást, lehetővé téve a jobb hatékonyságot a motor teljes működési tartományában.
A dugattyús motorokban a szelepeket általában vezérműtengely működteti . A bütykök kinyitják ( emelik ) a szelepeket meghatározott ideig ( tartamig ) minden egyes szívó- és kipufogóciklus során. A szelepek nyitásának és zárásának pillanata fontos és a főtengely helyzetétől függ . A vezérműtengelyt a főtengelyről hajtószíj, lánc vagy hajtómű hajtja meg.
A nagy fordulatszámon való működéshez a motornak nagy mennyiségű levegőre van szüksége. Ebben az esetben azonban előfordulhat, hogy a szívószelepek korábban zárnak, mielőtt a szükséges mennyiségű levegő belépne az égéstérbe, ami csökkenti a hatékonyságot. Másrészt, ha a motor olyan vezérműtengellyel van felszerelve, amely lehetővé teszi, hogy a szelepek hosszabb ideig nyitva maradjanak, például sportbütykös módosítások esetén, a motor alacsony fordulatszámon járás közben problémákat tapasztal. A szívószelepek kinyitása a kipufogószelepek zárása előtt az el nem égett üzemanyag kiürítését okozhatja a motorból, ami csökkenti a motor hatékonyságát és növeli a károsanyag-kibocsátást.
A korai változó szelepvezérlésű rendszerek diszkrét (lépcsős) működési elvvel rendelkeztek. Például az egyik beállítás a szelepek nyitására és zárására, amikor a motor 3500 perc -1 alatti fordulatszámmal jár , a második beállítás - ha a motor 3500 perc -1 feletti fordulatszámmal jár . A modernebb rendszerek a szelepek nyitási és zárási pillanatának egyenletes (fokozatmentes) beállítását teszik lehetővé. Az ilyen rendszerek lehetővé teszik a gázelosztó mechanizmus optimális beállítását bármilyen fordulatszámhoz és motor működési körülményeihez [1] [2] .
A változtatható szelepidőzítő rendszer egyik legegyszerűbb megvalósítása a fáziseltolásos rendszer, amelyben a vezérműtengely a főtengely helyzetéhez képest bizonyos szögben előre vagy hátra forgatható. Ugyanakkor a szelepek (szelepek :))) korábban vagy később zárnak és nyitnak, azonban a szelepek magassága és a nyitás és zárás időtartama változatlan marad. Ahhoz, hogy a változtatható szelepvezérlési rendszerben be lehessen állítani az időtartamot, bonyolultabb mechanizmusok bevezetésére van szükség, beleértve például több bütykös profilt vagy oszcilláló bütyköket.
Késői szívószelep zárás ( eng. late intake valve closing, LIVC ). A változtatható szelepzárási időzítés első megvalósításai olyan rendszerek voltak, amelyek lehetővé tették a szelep hosszabb nyitva tartását, mint egy ilyen rendszerrel fel nem szerelt motorban. Az eredmény az volt, hogy a kompressziós ciklus során levegőt nyomtak ki a hengerből a szívócsőbe. A hengerből kiszorított levegő megnöveli a nyomást a szívócsonkban, aminek következtében a szívószelep legközelebbi nyitásakor nagyobb nyomáson kerül levegő a hengerbe. A kipufogószelepek késői zárásának bevezetése révén a szívócsatorna veszteségei akár 40%-kal, valamint a nitrogén-oxidok ( NOx ) kibocsátása akár 24%-kal is csökkenhet. A maximális motornyomaték így körülbelül 1%-kal csökken, és a szénhidrogén-kibocsátás nem változik [2] .
Szívószelepek korai zárása ( eng. korai szívószelep zárása, EIVC ). A szívócsatorna-veszteségek csökkentésének másik módja alacsony motorfordulatszámon az, hogy a szívószelepek korai zárásával nagy vákuumot hoznak létre a szívócsonkban. Ennek eléréséhez a szívószelepeknek zárniuk kell a szívóciklus alatt. Alacsony terhelés mellett a motor tüzelőanyag-levegő keverékigénye kicsi, de a hengerek feltöltésének követelményei elég magasak, ami a szívószelepek korai zárásának bevezetésével érhető el [2] . Tanulmányok kimutatták, hogy a szívószelepek korai zárásával rendelkező motoroknál akár 40% -kal csökken a szívócsatorna vesztesége, és 7% -kal nő a hatékonyság. A nitrogén-oxid-kibocsátás is akár 24%-kal csökkenthető részleges terhelésű üzemmódokban. A szívószelepek korai zárásának bevezetésének lehetséges negatív oldala az égéstér hőmérsékletének jelentős csökkenése, ami a szénhidrogén-kibocsátás növekedését okozhatja [2] .
Szívószelepek korai nyitása ( eng. korai szívószelep nyitása ). A szívószelepek korábbi kinyitása a toxicitás jelentős csökkentésének egyik módja. A hagyományos motor a szelep átfedésének nevezett folyamatot alkalmazza a hengeren belüli hőmérséklet szabályozására. A szívószelepek korai nyitásakor a szívószelepen átáramló kipufogógázok egy része a szívócsonkba kerül, ahol gyorsan lehűl. Beszíváskor az inert kipufogógázok nagymértékben megtöltik a hengert, ezáltal csökken a henger hőmérséklete és a nitrogén-oxidok kibocsátása. Ezenkívül a szívószelepek korai nyitása javítja a térfogati hatékonyságot, mivel a kipufogógázok mennyisége csökken a kipufogóciklus során [2] .
A kipufogószelepek korai és késői zárása ( angolul korai / késői kipufogószelep zárása ). Ezeknek a rendszereknek a bevezetése lehetővé teszi a toxicitás csökkentését. Egy hagyományos motornál a kipufogóciklus során a dugattyú mozgása a kipufogógázokat a kipufogócsonkba, majd tovább a kipufogórendszerbe nyomja. A kipufogószelepek korai és késői zárásával szabályozható a hengerben maradó kipufogógázok mennyisége. A szelepet a szokásosnál hosszabb ideig nyitva hagyva teljesebben megtisztul a kipufogógázoktól, és a hengert nagyobb mennyiségű friss üzemanyag-levegő keverékkel töltik meg. A kipufogószelepek korai zárásával több kipufogógáz marad a hengerben, ami növeli a gazdaságosságot. A rendszer lehetővé teszi, hogy a motor minden üzemmódban fenntartsa a hatékonyságát.
A rendszer gépjárműiparban való széles körű elterjedését hátráltató fő tényező a szelepidő-szabályozás költséghatékony megoldásainak megalkotása, a motor körülményeitől függően. 3000 ford./perc sebességgel működő motorban a vezérműtengelynek 25 s − 1 sebességgel kell forognia , ezért a szelep nyitási és zárási időzítésének nagyon pontosnak kell lennie az előnyök eléréséhez. A szelepek működtetésére bütyköket nem használó mágnes- és pneumatikus rendszerek maximális pontosságot tesznek lehetővé a szelepek nyitásának és zárásának szabályozásában, azonban 2016-tól a tömegjármű-gyártók számára nincs költséghatékony megvalósítás.
A szelepek nyitásának időtartamának megváltoztatására szolgáló módszerek keresésének története a gőzgépek idejére nyúlik vissza , ahol a szelepek nyitásának időtartamának megváltoztatását "gőzvágásnak" nevezik. A korai gőzmozdonyokban az úgynevezett Stevenson sebességváltót alkalmazták, amely a „levágási” változtatást, vagyis annak az időnek a megváltoztatását hajtotta végre, amely után a gőz áramlása a munkahengerbe leállt.
A korai "cut-off" csererendszerek kombinálták a bejövő gőz "lezárását" a kipufogó gőzlezárás különböző megvalósításaival. Ezeknek a rendszereknek a szétválasztását a Corliss gőzgép fejlesztése hozta meg. Elvét széles körben alkalmazzák állandó fordulatszámon, változó terhelés mellett működő állómotorokban. Ezekben a bejövő gőz "lezárásának" és ennek eredményeként a nyomatéknak a szabályozását centrifugális szabályozó és elzáró szelepek végezték .
A billenőszelepek elterjedése után egy egyszerűsített szelephajtást vezettek be vezérműtengely segítségével . Az ilyen motoroknál a "levágás" változását a bütykök eltérő profiljával lehetett elérni, amelyek a vezérműtengely mentén egy szabályozóval mozogtak [3] .
A Clerget-Blin által kifejlesztett korai kísérleti V8-as motorban , amely 200 LE-t fejlesztett ki. A szelep nyitási és zárási pillanatának megváltoztatásához csúszó vezérműtengelyt használtak. Az 1920-as évek elején készült egyes Bristol Jupiter radiálmotorok változtatható szelep-időzítéssel is rendelkeznek, amelyet főként a szívószelepeken alkalmaztak a nagyobb kompresszió elérése érdekében [4] . A Lycoming XR-7755 hajtóművet változtatható szelepvezérlésű rendszerrel látták el, amely két bütykből állt, amelyeket a pilóta választhatott ki: az egyiket a felszálláshoz, az üldözést és az üldözést elkerülő, a másikat a gazdaságos repülésekhez.
Az 1920-as években nyilvánvalóvá vált egy olyan rendszer kívánatossága, amely a szelepnyitás időtartamát a motor fordulatszámának megfelelően változtatja, amikor a motor maximálisan elérhető fordulatszámának korlátja növekedni kezdett. Ekkorra a motor fordulatszáma alapjáraton és terheléskor nem tért el jelentősen, így nem kellett változtatni a szelepek nyitásának időtartamán. Nem sokkal 1919 előtt Lawrence Pomeroy , a Vauxhall főtervezője kifejlesztette a 4,4 literes H-Type motort, amelyet az akkoriban létező 30-98 modell helyettesítésére terveztek [5] . Ebben egyetlen vezérműtengely tudott hosszirányban mozogni, ami lehetővé tette különféle profilok használatát rajta. Az első szabadalmakat a szelepvezérlési rendszerekre 1920-ban adták ki, például az 1 527 456 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmat .
1958-ban a Porsche szabadalmat kért Németországban és az Egyesült Királyságban is , amelyet 1959-ben GB861369 számon tettek közzé. A Porsche szabadalom egy olyan rendszert írt le oszcilláló bütykökkel, amelyet a szelepemelés és a szelep nyitási idejének növelésére használnak. A dezmodromikus szelepeket egy excentertengelyhez vagy alátéthez csatlakoztatott fel-le rúd működteti . Nem tudni, hogy készült-e működő prototípus.
A Fiat volt az első cég, amely szabadalmaztatta a szelep nyitási és zárási időzítésének megváltoztatására szolgáló rendszert, amely magában foglalta a szelepemelési magasság megváltoztatására szolgáló rendszert, amelyet gyakorlatilag az autókon alkalmaztak . A Giovanni Torazza ( olaszul: Giovanni Torazza ) által az 1960-as évek végén kifejlesztett rendszer hidraulikus nyomást használt a szelepemelők támaszpontjának megváltoztatására ( US 3 641 988 szabadalom ) [6] . A hidraulikus nyomás a motor fordulatszámától és a szívócsatornában lévő légnyomástól függően változik. A nyitvatartási idő jellemző változása 37% volt.
Az Alfa Romeo ( 4 231 330 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalom ) [7] volt az első vállalat, amely a sorozatgyártású autókon elkezdte a változó szelepnyitási és -zárási időzítést . Az 1980-as években az Alfa Romeo Spider modell üzemanyag-befecskendező rendszerével felszerelt autókat mechanikus, változó szelepvezérléssel szerelték fel. Giampaolo Garcea ( olaszul: Giampaolo Garcea ) fejlesztette ki az 1970-es években [8] . Az 1983-tól kezdődően az Alfa Romeo Spider modellek elektronikus változó szelepvezérléssel [9] vannak felszerelve .
1987-ben a Nissan bemutatta N-VCT szelepvezérlési rendszerét VG20DET és VG30DE motorjaihoz. . 1989- ben a Honda is bemutatta VTEC rendszerét [10] . Míg a Nissan korai N-VCT rendszerei kizárólag a szelepvezérlést változtatták, a VTEC nagy motorfordulatszámon másik bütyökprofilra vált a maximális motorteljesítmény növelése érdekében. A Honda első VTEC motorja a B16A volt, amelyet az Európába és Japánba szállított Integra , CR-X és Civic ferdehátú modellekbe szereltek be. .
1992-ben a Porsche bemutatta a VarioCam rendszert, amely az első olyan rendszer volt, amely egyenletesen változtatható szelepvezérléssel (minden korábbi rendszer lépcsőzetes volt). A rendszert a Porsche 968 autókra kezdték telepíteni, és csak a szívószelepeken működött.
Változtatható szelepvezérlésű rendszereket telepítettek a motorkerékpárok motorjaira, de 2004 végén haszontalan "műszaki mintának" minősültek a rendszer telepítése során megnövekedett tömeg miatt [11] . Ezt követően a következő motorkerékpárokat adták ki változó szelepvezérléssel: Kawasaki 1400GTR / Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015) és BMW R1250GS (2019).
A változó szelepvezérlésű rendszereket nem használják széles körben a hajómotorokon. A Volvo Penta tengeri motorjai 2004 óta a motor ECU által vezérelt bütykös időzítő rendszerrel vannak felszerelve , amely zökkenőmentesen módosítja a vezérműtengely időzítését [12] .
2007-ben a Caterpillar kifejlesztette az Acert C13 és C15 sorozatú motorokat, amelyek változó szelepvezérléssel csökkentik a nitrogén-oxid-kibocsátást, hogy elkerüljék a kipufogógáz-visszavezető rendszer használatát az EPA-követelmények 2002-es bevezetése után [13] .
2009-ben a Mitsubishi kifejlesztette és megkezdte a 4N13 I4 motorok sorozatgyártását két 1,8 literes vezérműtengellyel. Ez a motor lett a világ első változtatható szelepvezérlésű dízelmotorja a személygépkocsik számára [14] .
Minden motorgyártónak saját neve van ennek a technológiának.
Ez a megvalósítás különböző bütyökprofilokat használ. Egy adott pillanatban (általában egy bizonyos motorfordulatszámon) a hajtás profilok között vált. Ezzel a szelepidő-módosítási módszerrel a szelepemelés és a szelepnyitás időtartamának módosítása is lehetséges, azonban ez a változás mindig lépésenként történik, és nem lehet egyenletes. A Honda VTEC rendszere volt az ilyen rendszerek első soros képviselője . A VTEC rendszerben a hidraulikus nyomás változása egy csapot működtet, amely a magas szelepemelésért és a hosszú nyitási időkért felelős lengőkart reteszeli, míg a közeli billenőkart az alacsony szelepemelésért és a rövid nyitási időkért.
Sok legyártott változtatható szelep-időzítő rendszer úgy működik, mint a bütykös átvezető eszközök, amelyeket jargoknak neveznek. fázisváltók ( eng. variátor ). Ez zökkenőmentes beállítást tesz lehetővé, azonban sok korai ilyen rendszer csak lépcsőzetes beállítást tudott végrehajtani. A nyitási idő és az emelési magasság beállítása azonban nem lehetséges.
Ez a megvalósítás a bütyökrészek oszcilláló vagy oszcilláló mozgásait használja , akik tolóként működnek. A szelepek viszont kinyitják és zárják a szelepeket. Az ilyen rendszerek egyes megvalósításai hagyományos bütykös profilt és excenter profilokat és kötőrudakat egyaránt használnak. Működésük elve hasonló a gőzgéphez, ahol a munkahengerbe belépő gőz mennyiségét a gőz „lezárásának” pillanata szabályozza. Az ilyen rendszerek előnye a szelepek magasságának és a nyitás időtartamának zökkenőmentes szabályozása. Hátránya, hogy a szelepemelés arányos a nyitás időtartamával, önálló beállításuk nem lehetséges.
Ilyen rendszerek például a Valvetronic ( BMW ) [15] , a VVEL ( Nissan ) és a Valvematic ( Toyota ), amelyekben az oszcilláló bütykös rendszereket csak a szívószelepekre szerelik fel.
Az excentrikus bütykös meghajtórendszerek egy excentertárcsa mechanizmuson keresztül működnek, amely csökkenti és növeli a bütyökprofil szögsebességét forgás közben. Ennek a fordulatszámnak a csökkentése, miközben a szelep nyitva van, a szelep nyitásának időtartamának növelését jelenti. Az ilyen rendszer előnye, hogy önállóan beállíthatja a szelepek nyitásának időtartamát és az emelőmagasságot [16] (az emelőhöz azonban nem állíthatók be). Ezeknek a rendszereknek a hátrányai közé tartozik a bonyolultságuk (két excentrikus hajtást és két vezérlőt kell telepíteni minden hengerhez - egy pár készüléket a szívó- és kipufogószelepekhez), ami növeli a rendszer költségeit.
Az egyetlen gyártó, aki ilyen rendszert alkalmazott, az MG Rover volt .
Ezekben a rendszerekben a bütykök olyan profillal rendelkeznek, amely hosszuk mentén egy kúphoz hasonló alakban [17] is változik. A bütyök egyik végén kis szelepemelésű és rövid nyitási idővel rendelkező profil, a másik végén magas szelepemelésű és meghosszabbított nyitási idővel rendelkező profil található. A bütyök hosszának középső részén sima átmenet van ezen profilok között. A szelepemelő magasságának és nyitási időtartamának zökkenőmentes beállítása a szelepemelő érintkezési pontjának a bütyökprofillal való eltolásával valósítható meg. Ezt a vezérműtengely axiális mozgatásával érik el (a motor mentén „csúszik”), így a rögzített szelepemelő érintkezik a bütykösprofil különböző szakaszaival, ami eltérő szelepemeléseket és nyitási időket eredményez. Ezeknek a rendszereknek a hátránya, hogy a bütykök profilja rendkívül nehezen tervezhető, mivel a kialakításnak biztosítania kell a profilváltásból adódó minimális érintkezési feszültségeket.
A Ferrarit általában úgy szokták emlegetni, mint aki ilyen rendszert használ [18] [19] , azonban továbbra sem ismert, hogy a sorozatgyártású modelljeiben használnak-e ilyen rendszereket.
Nincs információ ezeknek a rendszereknek a soros motorokban való használatáról.
A rendszer két egymáshoz közel elhelyezkedő vezérműtengelyből és egy forgó szelepemelőből áll, amelyet mindkét vezérműtengely hajt meg. Ennek a szelepemelőnek a mozgása egyidejűleg továbbítja mindkét vezérműtengely bütykös profiljának mozgását. Mindegyik vezérműtengely saját változó szelep-időzítő rendszerrel van felszerelve, amely lehetővé teszi a vezérműtengelyek szöghelyzetének megváltoztatását a főtengelyhez képest. Az egyik vezérműtengely bütyökprofilja a szelepek zárását, a másik vezérműtengely bütykösprofilja pedig ugyanezen szelepek zárását. Így a szelepek nyitásának időtartamának beállítását ezen események közötti intervallum szabályozza.
Az ilyen rendszerek hátrányai közé tartozik:
Nincs információ ezeknek a rendszereknek a soros motorokban való használatáról.
A rendszer működési elve az is, hogy egy tolórudat két különböző vezérműtengelyen elhelyezett bütykös profilok hajtanak meg. A szelepemelő végsugár által megszabott szöghatárig a szelepemelő a két bütyökprofil felületeinek kombinációját sima, folyamatos felületként "érzi". Ha a bütykök forgása a lehető legjobban igazodik, a szelep nyitásának időtartama minimális, és az egyes bütykök profiljának külön-külön megfelel. Ezzel szemben, ha a bütykök közötti szög forgás közben a legnagyobb, akkor a szelep nyitásának időtartama maximális. Az ilyen rendszerek fő korlátja, hogy csak a szelepek nyitásának időtartamát lehet beállítani, ami egyenlő (a vezérműtengely mozgási fokában) a bütyök éles végének profiljának lekerekítésével.
Hasonló elv képezte az alapját valószínűleg az első bütyökváltó rendszernek, amelyet 1925-ben szabadalmaztatott az Egyesült Államok Szabadalmi és Védjegyhivatala ( 1 527 456 számú amerikai szabadalom ). Szintén ilyen típusú az úgynevezett "Clemson-vezérműtengely" [23] .
Szintén "Kéttengelyes kombinált bütyökprofil koaxiális tengelyekkel és spirális mozgással", nincs információ ezeknek a rendszereknek a soros motorokban való használatáról.
Az elve hasonló a korábban tárgyalthoz, ugyanazt az időtartam profilt használhatja. A bütykök egyszerű lapos forgatása helyett azonban a tengelyirányú és forgó mozgások kombinációját alkalmazzák a beállításhoz, ami egy háromdimenziós spirális mozgás. Egy ilyen mozgás révén a korábban vizsgált rendszerben az időtartamhoz kapcsolódó korlátok leküzdhetők. A szelepnyitás időtartama elméletileg korlátlan, de általában nem haladja meg a vezérműtengely mozgásának 100 fokát, ami a legtöbb helyzetben elegendő a működéshez.
Az ilyen rendszerek bütykeinek gyártása állítólag nehéz és költséges, nagyon nagy pontosságot igényel a tekercselemek gyártása, és gondosan kell összeszerelni.
Ezek közé a motorok közé tartoznak azok a motorok, amelyek nem igényelnek vezérműtengelyt a szelepek működtetéséhez. Ezekben a rendszerekben a szelepek nagyfokú rugalmassággal rendelkeznek a szelepidő és a szelepemelés beállításához. 2019-től azonban nem állnak rendelkezésre hasonló rendszerek a közúti járművekhez.
A következő típusú bütykös motorok léteznek: