Değişken supap zamanlaması - Variable valve timing
Olarak , içten yanmalı motorlar , değişken subap zamanlaması ( VVT ) bir zamanlamasını değiştirilmesi işlemidir kapak kaldırma olayı ve genellikle performansı, yakıt ekonomisi ve emisyonları iyileştirmek için kullanılır. Değişken valf kaldırma sistemleri ile birlikte giderek daha fazla kullanılmaktadır . Bunu başarmanın mekanik cihazlardan elektro-hidrolik ve kamsız sistemlere kadar birçok yolu vardır . Giderek katılaşan emisyon düzenlemeleri, birçok otomotiv üreticisinin VVT sistemlerini kullanmasına neden oluyor.
İki zamanlı motorlar , VVT'ye benzer sonuçlar elde etmek için bir güç valfi sistemi kullanır.
arka plan teorisi
Bir içten yanmalı motordaki valfler, emme ve egzoz gazlarının yanma odasına giren ve çıkan akışını kontrol etmek için kullanılır . Bu valf olaylarının zamanlaması, süresi ve kaldırması motor performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir . Değişken valf zamanlaması veya değişken valf kaldırma olmadan , valf zamanlaması tüm motor hızları ve koşulları için aynıdır, bu nedenle taviz verilmesi gerekir. Değişken bir valf zamanlaması çalıştırma sistemi ile donatılmış bir motor, bu kısıtlamadan kurtulur ve performansın motor çalışma aralığı boyunca iyileştirilmesine olanak tanır.
Piston motorları normalde eksantrik milleri tarafından tahrik edilen valfleri kullanır . Kamlar , her emme ve egzoz döngüsü sırasında valfleri belirli bir süre ( süre ) açar ( kaldırır ) . Zamanlama krank milinin konumuna göre kapak açma ve kapama, ve, önemlidir. Eksantrik mili, krank mili tarafından triger kayışları , dişliler veya zincirler vasıtasıyla tahrik edilir .
Bir motor, yüksek hızlarda çalışırken büyük miktarda havaya ihtiyaç duyar. Bununla birlikte, emme valfleri, her bir yanma odasına yeterli hava girmeden önce kapanarak performansı düşürebilir. Öte yandan, eksantrik mili, bir yarış kamında olduğu gibi valfleri daha uzun süre açık tutarsa, daha düşük motor devirlerinde sorunlar oluşmaya başlar. Egzoz valfi hala açıkken emme valfinin açılması, yanmamış yakıtın motordan çıkmasına neden olarak motor performansının düşmesine ve emisyonların artmasına neden olabilir. Mühendis David Vizard'ın "Beygir Gücü Oluşturma" adlı kitabına göre, hem emme hem de egzoz aynı anda açıldığında, çok daha yüksek basınçlı egzoz, en kötü durumlarda emme manifoldunu egzozla kirleterek emme yükünü silindirden dışarı doğru iter. .
Sürekli ve ayrık
Erken değişken valf zamanlama sistemleri, ayrık (kademeli) ayar kullandı. Örneğin, bir zamanlama 3500 rpm'nin altında ve bir diğeri 3500 rpm'nin üzerinde kullanılacaktır.
Daha gelişmiş "sürekli değişken valf zamanlaması" sistemleri, valf zamanlamasının sürekli (sonsuz) ayarlanmasını sağlar. Bu nedenle zamanlama, tüm motor hızlarına ve koşullarına uyacak şekilde optimize edilebilir.
Değişken süreye karşı kam evrelemesi
VVT basit formudur kam aşamalı faz açısı, burada, eksantrik mili döndürülmüş ileri veya krank mili geriye göredir. Böylece vanalar daha erken veya daha geç açılıp kapanır; bununla birlikte, eksantrik mili kaldırma ve süresi yalnızca bir kam-fazlama sistemi ile değiştirilemez.
Çoklu kam profilleri gibi karmaşık bir VVT sisteminde değişken süre elde etme
Zamanlama ayarlamalarının tipik etkisi
Geç giriş valfi kapatma (LIVC) Sürekli değişken valf zamanlamasının ilk varyasyonu, giriş valfini geleneksel bir motordan biraz daha uzun süre açık tutmayı içerir. Bu, sıkıştırma stroku sırasında pistonun aslında havayı silindirden dışarı itmesi ve emme manifolduna geri itmesiyle sonuçlanır. Dışarı atılan hava manifoldu daha yüksek basınçla doldurur ve müteakip emme vuruşlarında içeri alınan hava daha yüksek basınçta olur. Geç emme valfi kapatmanın, kısmi yük koşullarında pompalama kayıplarını %40, nitrik oksit ( NOx ) emisyonlarını ise %24 azalttığı gösterilmiştir . Pik motor torku yalnızca %1'lik bir düşüş gösterdi ve hidrokarbon emisyonları değişmedi.
Erken emme valfi kapatma (EIVC) Düşük motor devri, yüksek vakum koşullarıyla ilişkili pompalama kayıplarını azaltmanın bir başka yolu, emme valfini normalden daha erken kapatmaktır. Bu, giriş strokunun ortasında giriş valfinin kapatılmasını içerir. Düşük yük koşullarında hava/yakıt talepleri çok düşüktür ve silindiri doldurmak için gereken iş nispeten yüksektir, bu nedenle erken emme valfi kapanması pompalama kayıplarını büyük ölçüde azaltır. Çalışmalar, erken emme valfinin kapatılmasının pompalama kayıplarını %40 oranında azalttığını ve yakıt tasarrufunu %7 oranında artırdığını göstermiştir. Ayrıca kısmi yük koşullarında nitrik oksit emisyonlarını %24 oranında azalttı. Erken giriş valfi kapatmasının olası bir dezavantajı, hidrokarbon emisyonlarını artırabilecek yanma odasının sıcaklığını önemli ölçüde düşürmesidir.
Erken giriş valfi açılması Erken giriş valfi açılması, emisyonları azaltmak için önemli potansiyele sahip başka bir varyasyondur. Geleneksel bir motorda, silindir sıcaklığının kontrol edilmesine yardımcı olmak için valf örtüşmesi adı verilen bir işlem kullanılır. Emme valfinin erken açılmasıyla, atıl/yanmış egzoz gazının bir kısmı, emme manifoldunda anlık olarak soğuduğu emme valfi aracılığıyla silindirden geri akar. Bu soy gaz daha sonra silindiri, silindirin sıcaklığının ve nitrik oksit emisyonlarının kontrol edilmesine yardımcı olan sonraki emme strokunda doldurur. Egzoz strokunda atılacak daha az egzoz gazı olduğundan hacimsel verimliliği de artırır.
Erken/geç egzoz valfi kapatma Erken ve geç egzoz valfi kapatma zamanlaması, emisyonları azaltmak için manipüle edilebilir. Geleneksel olarak, egzoz valfi açılır ve egzoz gazı yukarı doğru hareket ederken piston tarafından silindirden dışarı ve egzoz manifolduna itilir. Mühendisler egzoz valfinin zamanlamasını değiştirerek silindirde ne kadar egzoz gazı kaldığını kontrol edebilirler. Egzoz valfini biraz daha uzun süre açık tutarak silindir daha fazla boşaltılır ve emme strokunda daha büyük bir hava/yakıt şarjı ile doldurulmaya hazır hale gelir. Valfi biraz erken kapatarak silindirde daha fazla egzoz gazı kalır ve bu da yakıt verimliliğini artırır. Bu, her koşulda daha verimli çalışmayı sağlar.
Zorluklar
Bu teknolojinin üretim otomobillerinde yaygın olarak kullanılmasını engelleyen ana faktör, bir motorun içindeki koşullar altında valf zamanlamasını kontrol etmenin uygun maliyetli bir yolunu üretme yeteneğidir. Dakikada 3000 devirde çalışan bir motor, eksantrik milini saniyede 25 kez döndürür , bu nedenle performans avantajları sağlamak için valf zamanlama olaylarının kesin zamanlarda gerçekleşmesi gerekir. Elektromanyetik ve pnömatik kamsız valf aktüatörleri, hassas valf zamanlamasının en büyük kontrolünü sunar, ancak 2016'da üretim araçları için uygun maliyetli değildir.
Tarih
Buharlı motorlar
Değişken valf açma süresi yöntemi arayışının geçmişi , valf açılma süresinin "buhar kesme " olarak adlandırıldığı buhar motorları çağına kadar uzanır . Erken buharlı lokomotiflerde kullanılan Stephenson valf dişlisi , değişken kesme , yani güç stroku sırasında silindirlere buhar girişinin kesildiği zamana göre değişir.
Egzoz kesmesindeki değişikliklerle giriş kesmesindeki değişken kesmeye bağlı varyasyonlara erken yaklaşımlar. Giriş ve egzoz kesintisi, Corliss valfinin geliştirilmesiyle ayrıldı . Bunlar, kabul kesmesi ve dolayısıyla bir santrifüj regülatörü ve açma valfleri tarafından mekanik olarak kontrol edilen tork ile sabit hızlı değişken yüklü sabit motorlarda yaygın olarak kullanıldı .
Gibi akışkan engelleyici vanalar kullanıma girmiştir, bir kullanan basitleştirilmiş bir valf dişlisi kam mili kullanılmaya başlanmıştır. Bu tür motorlarda, vali tarafından eksantrik mili boyunca kaydırılan değişken profilli kamlar ile değişken kesme elde edilebilir. Serpollet dikme valfleri gerektiren, çok sıcak yüksek basınçlı buhar üretilebilir steamcars ve bu sadece tersine motorun, giriş valfı cut-off değerinin değişiklik gösterdi, ancak izin patentli bir kayar eksantrik mili mekanizmasını kullanılır.
uçak
1910'lardan ilk deneysel 200 hp Clerget V-8, valf zamanlamasını değiştirmek için kayar bir eksantrik mili kullandı. 1920'lerin başlarındaki Bristol Jupiter radyal motorunun bazı versiyonları , esas olarak daha yüksek sıkıştırma oranlarıyla bağlantılı olarak giriş valfi zamanlamasını değiştirmek için değişken valf zamanlama dişlisini içeriyordu. Lycoming R-7755 , motor pilot tarafından seçilebilir iki kamdan oluşan bir değişken supap zamanlama sistemi vardı. Biri kalkış, takip ve kaçış, diğeri ise ekonomik seyir için.
Otomotiv
Bir motorun dönüş hızına uyacak şekilde valf açma süresini değiştirebilmenin arzu edilirliği, ilk olarak 1920'lerde, izin verilen maksimum RPM sınırlarının genellikle yükselmeye başladığı zaman ortaya çıktı. Bu zamana kadar bir motorun rölanti devri ve çalışma devri çok benzerdi, yani değişken valf süresine çok az ihtiyaç vardı. Değişken valf zamanlamasının ilk kullanımı, Alanson Partridge Brush Patent 767.794 tarafından oluşturulan 1903 Cadillac Runabout ve Tonneau'daydı. Vauxhall'ın Baş Tasarımcısı Pomeroy, mevcut 30-98 modelinin H-Type olarak adlandırılması için önerilen bir yedek için 4.4 L'lik bir motor tasarlamıştı. Bu motorda, tek üstten eksantrik mili, farklı eksantrik mili loblarının devreye girmesine izin vermek için uzunlamasına hareket edecekti. 1920'lerde değişken süreli valf açma için ilk patentler ortaya çıkmaya başladı - örneğin Amerika Birleşik Devletleri patenti ABD Patenti 1.527.456 .
1958'de Porsche , 1959'da İngiliz Patenti GB861369'a da başvurmuş ve yayınlanmış bir Alman Patenti için başvuruda bulundu. Porsche patenti, valf kaldırmasını ve süresini artırmak için salınımlı bir kam kullandı. Bir eksantrik mil veya eğik plakadan bir itme/çekme çubuğu aracılığıyla tahrik edilen desmodromik kam . Herhangi bir çalışma prototipinin yapılıp yapılmadığı bilinmiyor.
Fiat , değişken kaldırma içeren işlevsel bir otomotiv değişken valf zamanlama sisteminin patentini alan ilk otomobil üreticisiydi. 1960'ların sonlarında Giovanni Torazza tarafından geliştirilen sistem, kam takipçilerinin dayanak noktasını değiştirmek için hidrolik basınç kullandı (ABD Patenti 3,641,988). Hidrolik basınç, motor devrine ve emme basıncına göre değişti. Tipik açılış varyasyonu %37 idi.
Alfa Romeo , üretim arabalarında değişken bir valf zamanlama sistemi kullanan ilk üreticiydi (ABD Patenti 4,231,330). 1980 Alfa Romeo Spider 2000'in yakıt enjeksiyonlu modelleri mekanik bir VVT sistemine sahipti. Sistem, 1970'lerde Ing Giampaolo Garcea tarafından tasarlandı. 1983'ten itibaren tüm Alfa Romeo Spider modelleri elektronik VVT kullandı.
1989'da Honda , VTEC sistemini piyasaya sürdü . Daha önceki Nissan NVCS , eksantrik milinin fazını değiştirirken, VTEC, maksimum gücü artırmak için yüksek motor hızlarında ayrı bir kam profiline geçer. Honda'nın ürettiği ilk VTEC motoru , Japonya ve Avrupa'da bulunan Integra , CRX ve Civic hatchback'e kurulan B16A idi .
1992'de Porsche , sürekli ayar sağlayan ilk sistem olan VarioCam'i ilk kez tanıttı (önceki tüm sistemler ayrık ayar kullanıyordu). Sistem, Porsche 968'de piyasaya sürüldü ve yalnızca emme valflerinde çalıştırıldı.
motosikletler
Motosiklet motorlarına değişken supap zamanlaması uygulandı, ancak sistemin ağırlık cezası nedeniyle 2004'ün sonlarında kullanışlı olmayan bir "teknolojik gösteri" olarak kabul edildi. O zamandan beri VVT dahil motosikletler arasında Kawasaki 1400GTR/Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015), BMW R1250GS (2019) ve Yamaha YZF-R15 V3.0 (2017), Suzuki GSX-R1000R yer aldı. 2017 L7.
Deniz
Değişken valf zamanlaması deniz motorlarına doğru akmaya başladı. Volvo Penta'nın VVT deniz motoru, ECM tarafından kontrol edilen bir kam fazeri kullanır ve eksantrik mili zamanlamasının ilerlemesini veya gecikmesini sürekli olarak değiştirir.
Dizel
2007 yılında Caterpillar, 2002 EPA gerekliliklerinden sonra EGR kullanımını önlemek için NOx emisyonlarını azaltmak için VVT teknolojisini kullanan C13 ve C15 Acert motorlarını geliştirdi.
2010 yılında Mitsubishi , değişken valf zamanlama sistemine sahip dünyanın ilk binek otomobil dizel motoru olan 4N13 1.8 L DOHC I4'ü geliştirdi ve seri üretimine başladı .
Otomotiv terminolojisi
Üreticiler, çeşitli değişken valf zamanlama sistemlerinin uygulamalarını tanımlamak için birçok farklı isim kullanır. Bu isimler şunları içerir:
- AVCS (Subaru)
- AVLS (Subaru)
- CPS (Proton) ancak proton, 2016'nın yeni modeli için vvt motor kullanıyor
- CVTCS (Nissan, Infiniti)
- CVVT (Hyundai motor Co., Kia tarafından geliştirilmiştir, ancak Geely, Iran Khodro, Volvo üzerine de kurulabilir)
- DCVCP - çift sürekli değişken kam fazlaması (General Motors)
- DVT (Desmodromik değişken zamanlama, Ducati)
- DVVT (Daihatsu, Perodua, Wuling)
- MIVEC (Mitsubishi)
- Çoklu Hava (FCA)
- VCT (Ford)
- N-VCT (Nissan)
- S-VT (Mazda)
- Ti-VCT (Ford)
- VANOS - Valvetronic (BMW) eklenmemiş ve eklenmiş değişken NOckenwellenSteuerung 'eksantrik mili zamanlaması'
- Alfa Romeo (VCT) Faz varyatörü Alfa Romeo, Alfa Romeo tarafından tasarlanan bir valf zamanlama varyasyon sistemidir, seri üretim bir otomobilde ilk kez kullanılmıştır (ALFA ROMEO spider duetto 1980)
- VarioCam (Porsche)
- VTEC , i-VTEC (Honda, Acura)
- VTi , (Citroen, Peugeot, BMW grubu)
- VVC (MG Gezici)
- VVL ( Nisan )
- Valvelift (Audi)
- VVA ( Yamaha )
- VVEL (Nissan, Infiniti)
- VVT (Chrysler, General Motors, Proton, Suzuki, Maruti, Isuzu, Volkswagen Grubu, Toyota)
- VVT-i , VVTL-i (Toyota, Lexus)
- VTVT (Hyundai)
Değişken valf kontrolünü (VVC) uygulama yöntemleri
Kam değiştirme
Bu yöntem, profiller arasında geçiş yapmak için bir aktüatöre sahip iki kam profili kullanır (genellikle belirli bir motor hızında). Kam değiştirme, değişken valf kaldırma ve değişken süre de sağlayabilir , ancak ayarlama sürekli olmaktan çok ayrıktır.
Bu sistemin ilk üretim kullanımı Honda'nın VTEC sistemiydi. VTEC, yüksek kaldırma, yüksek süreli külbütör kolunu bitişik bir düşük kaldırma, düşük süreli külbütör koluna kilitleyen bir pimi harekete geçirmek için hidrolik basıncı değiştirir.
Kam evrelemesi
Birçok üretim VVT sistemi, varyatör olarak bilinen bir cihaz kullanan kam fazlı tiptir. Bu, kam zamanlamasının sürekli olarak ayarlanmasına izin verir (birçok eski sistem yalnızca ayrık ayarlamayı kullansa da), ancak süre ve kaldırma ayarlanamaz.
salınan kam
Bu tasarımlar, bir takipçi üzerinde hareket eden bir parça kam lobunda salınan veya sallanan bir hareket kullanır. Bu takipçi daha sonra valfi açar ve kapatır. Bazı salınımlı kam sistemleri geleneksel bir kam lobu kullanırken, diğerleri eksantrik bir kam lobu ve bir bağlantı çubuğu kullanır. İlke, silindire giren buhar miktarının buhar "kesme" noktası tarafından düzenlendiği buhar motorlarına benzer.
Bu tasarımın avantajı, kaldırma ve süre ayarının sürekli olmasıdır. Ancak bu sistemlerde kaldırma, süre ile orantılıdır, dolayısıyla kaldırma ve süre ayrı ayrı ayarlanamaz.
BMW ( valftronic ), Nissan ( VVEL ) ve Toyota ( valfmatik ) salınımlı kam sistemleri, yalnızca giriş valfleri üzerinde hareket eder.
Eksantrik kam tahriki
Eksantrik kam tahrik sistemleri , dönüşü sırasında kam lobunun açısal hızını yavaşlatan ve hızlandıran bir eksantrik disk mekanizması ile çalışır . Lobu açık kaldığı süre boyunca yavaşlatacak şekilde ayarlamak, süresini uzatmaya eşdeğerdir.
Bu sistemin avantajı, sürenin asansörden bağımsız olarak değişebilmesidir (ancak bu sistem asansörü değiştirmez). Dezavantajı, iki eksantrik sürücü ve her silindir için kontrolörlere ihtiyaç duyulmasıdır (biri emme valfleri ve diğeri egzoz valfleri için), bu da karmaşıklığı ve maliyeti artırır.
MG Rover , bu sistemi kullanan motorları piyasaya süren tek üreticidir.
Üç boyutlu kam lobu
Bu sistem, uzunluğu boyunca değişen (bir koni şekline benzer) bir kam lobundan oluşur. Kam lobunun bir ucu kısa süreli/azaltılmış kaldırma profiline, diğer ucu ise daha uzun süreli/daha büyük kaldırma profiline sahiptir. Arada lob, bu iki profil arasında yumuşak bir geçiş sağlar. Takipçi ile temas halinde olan kam lobunun alanı kaydırılarak, kaldırma ve süre sürekli olarak değiştirilebilir. Bu, eksantrik milini eksenel olarak hareket ettirerek (motor boyunca kaydırarak) elde edilir, böylece sabit bir takipçi, farklı miktarlarda kaldırma ve süre üretmek için değişen bir lob profiline maruz kalır. Bu düzenlemenin dezavantajı, kam ve takipçi profillerinin (değişken profil nedeniyle) temas stresini en aza indirecek şekilde dikkatlice tasarlanmasıdır.
Ferrari genellikle bu sistemle ilişkilendirilir, ancak bugüne kadar herhangi bir üretim modelinin bu sistemi kullanıp kullanmadığı bilinmemektedir.
İki şaft kombine kam lobu profili
Bu sistemin herhangi bir üretim motorunda kullanıldığı bilinmemektedir.
İki (yakın aralıklı) paralel eksantrik milinden oluşur ve her iki eksantrik milini kapsayan ve aynı anda iki lob tarafından hareket ettirilen döner bir takipçiye sahiptir. Her eksantrik milinin, motorun krank miline göre açısal konumunun ayarlanmasına izin veren bir fazlama mekanizması vardır. Bir lob bir valfin açılmasını ve diğeri aynı valfin kapanmasını kontrol eder, bu nedenle bu iki olayın aralıkları ile değişken süre elde edilir.
Bu tasarımın dezavantajları şunları içerir:
- Uzun süreli ayarlarda, bir lob yükselmeye devam ederken diğeri yükselmeye devam ediyor olabilir. Bu, genel kaldırmayı azaltma ve muhtemelen dinamik sorunlara neden olma etkisine sahiptir. Bir şirket, valf sorununun düzensiz açılma oranını bir dereceye kadar çözdüğünü ve böylece tam kaldırmada uzun süreye izin verdiğini iddia ediyor.
- Sistemin boyutu, paralel şaftlar, daha büyük takipçiler vb.
Koaksiyel iki şaft kombine kam lobu profili
Bu sistemin herhangi bir üretim motorunda kullanıldığı bilinmemektedir.
Çalışma prensibi, bir takipçinin yakın aralıklı lob çiftini kapsamasıdır. Burun yarıçapının açısal sınırına kadar takipçi, iki lobun birleşik yüzeyini sürekli, pürüzsüz bir yüzey olarak 'görür'. Loblar tam olarak hizalandığında, süre minimumdadır (ve tek başına her bir lobunkine eşittir) ve yanlış hizalanmalarının aşırı derecede olduğu zaman, süre maksimumdadır. Şemanın temel sınırlaması, yalnızca lob burnu gerçek yarıçapına eşit bir süre değişiminin (kam mili derecelerinde veya krank mili derecelerinde bu değerin iki katı) mümkün olmasıdır. Pratikte, bu tip değişken kamın, yaklaşık kırk krank mili derecelik bir maksimum süre değişimi aralığı vardır.
1925'te (1527456) USPTO patent dosyalarında görünen ilk değişken kam önerisinin arkasındaki ilke budur. "Clemson eksantrik mili" bu tiptedir.
helisel eksantrik mili
"Helisel hareket ile kombine iki milli koaksiyel kombine profil" olarak da bilinen bu sistemin herhangi bir üretim motorunda kullanıldığı bilinmemektedir.
Önceki tipe benzer bir prensibi vardır ve aynı taban süreli lob profilini kullanabilir. Bununla birlikte, tek bir düzlemde dönme yerine, hareketine helisel veya üç boyutlu bir görünüm veren ayar hem eksenel hem de rotasyoneldir. Bu hareket, önceki türdeki kısıtlı süre aralığının üstesinden gelir. Süre aralığı teorik olarak sınırsızdır ancak tipik olarak, çoğu durumu kapsamak için yeterli olan yüz krank mili derecesi mertebesinde olacaktır.
Kamın üretilmesinin zor ve pahalı olduğu, çok hassas sarmal işleme ve dikkatli montaj gerektirdiği bildiriliyor.
Kamsız motorlar
Valfleri çalıştırmak için eksantrik miline dayanmayan motor tasarımları, değişken valf zamanlaması ve değişken valf kaldırma elde etmede daha fazla esnekliğe sahiptir . Ancak, henüz karayolu araçları için piyasaya sürülen bir üretim kamsız motor bulunmamaktadır.
Hidrolik sistem
Bu sistem, giriş valfinin kapanmasını kontrol etmek için motor yağını kullanır. Giriş valfi açma mekanizması, bir hazne içinde bir valf iticisi ve bir piston içerir. Motor kontrol sistemi tarafından kontrol edilen bir solenoid valf vardır ve bu valf kam kaldırma sırasında enerjilenen ve bir çek valf vasıtasıyla yağ besler ve yağ hazneye dolar ve kartere dönüş kanalı valf iticisi tarafından bloke edilir. . Kamın aşağı doğru hareketi sırasında belirli bir anda dönüş geçidi açılır ve yağ basıncı motor karterine bırakılır.