Jak działają zmienne fazy rozrządu? Dlaczego są stosowane?

Zmienne fazy rozrządu

Fazy rozrządu, są to momenty otwarcia i zamknięcia zaworów w stosunku do położenia wału korbowego. Moment otwarcia (lub zamknięcia) zaworu jest określany kątem położenia wału korbowego przed górnym martwym lub dolnym martwym położeniem tłoka. Zadane kąty otwarcia i zamknięcia zaworów mają wpływ na ilość zassanej mieszanki do cylindra, poprawną kompresję, a następnie sprawne opróżnienie cylindra ze spalin. W skrócie, jeżeli tłok zbliża się do górnego martwego położenia (czyli wał jest na kilka stopni przed GMP danego tłoka), zawór ssący jest otwierany. Kiedy tłok rozpoczął już ruch w dół cylindra, następuje zamknięcie zaworu wydechowego (następuje to kilka stopni po GMP tłoka). Kiedy tłok zassie mieszankę, znajdzie się w dolnym martwym położeniu (DMP) i rozpoczyna ruch w górę.

Zobacz galerię: Najmniej awaryjne 10-letnie auta

Wtedy następuje zamknięcie zaworu ssącego. Wykorbienie wału korbowego jest wtedy w pozycji np. 35st. od dolnego martwego położenia danego tłoka. Mieszanka jest sprężana. Później następuje zapłon i suw pracy, a zanim tłok osiągnie DMP (czyli wał jest na pewien kąt przed dolnym martwym położeniem tego tłoka), zawór wylotowy jest otwierany i już przygotowany do opróżnienia cylindra ze spalin. To oczywiście opis standardowego silnika benzynowego, w którym wtrysk paliwa jest realizowany przed cylindrem, a wałek rozrządu jest napędzany paskiem zębatym lub łańcuchem z wału korbowego w stosunku (na jeden obrót wałka rozrządu przypadają dwa obroty wału korbowego). Wpływ na kąty otwarcia i zamknięcia poszczególnych zaworów ma jedynie profil krzywek wałka rozrządu oraz poprawnie zamontowany pasek (łańcuch) rozrządu.

Zobacz też: Układ olejenia w silniku – jak to działa?

Po co w silniku zmienne fazy rozrządu?

W powyższym opisie zauważymy, że są momenty, w których zarówno zawór dolotowy i wylotowy jest otwarty. To tak zwany moment przekrycia. Takie ustawienie zaworów polepsza parametry pracy silnika przy wysokich obrotach, jednak powoduje straty w zakresie niższych obrotów. Dlatego producenci samochodów szukali możliwości rozdzielenia bezpośredniej zależności faz rozrządu od położenia wału korbowego i kształtu krzywek wałka rozrządu. W układzie rozrządu pojawiły się działające na kilka sposobów regulatory.

Polecamy: Podatki 2015 - komplet

Dzięki możliwości regulacji faz rozrządu podniesiono moment obrotowy silnika, uzyskiwano bardziej płaski przebieg momentu, czy obniżano zużycie paliwa. Zmienne fazy rozrządu przyczyniły się wstępnie także do obniżenia ilości tlenków azotu w spalinach. Dzięki dłuższemu otwarciu zaworu wydechowego w zakresie niskich obrotów, pewna ilość spalin wraca do cylindra, co powoduje dopalenie NO_x (to tak zwana wewnętrzna recyrkulacja spalin).

Zobacz też: Czy istnieją silniki pięciosuwowe?

Jakie rozwiązania stosują producenci?

W okresie drugiej połowy lat osiemdziesiątych oraz w latach dziewięćdziesiątych producenci skupili się na zmianie faz rozrządu poprzez regulatory położenia wałka. W takich rozwiązaniach prędkość obrotowa koła zębatego regulatora jest ściśle zależna od prędkości wału korbowego. Natomiast sam wariator, w zależności od rozwiązania, może nieco przyśpieszyć lub opóźnić wałek rozrządu (czyli obrócić go o kilka stopni powodując wcześniejsze lub późniejsze otwarcie zaworu). Jest to możliwe, ponieważ wałek jest połączony z wariatorem piastą. Jej przesunięcie jest regulowane hydraulicznie - do wariatora doprowadzany jest olej. Sterowanie przesunięcia kątowego wałka jest zależne od sygnałów czujników położenia przepustnicy i obciążenia chwilowego silnika. Wariatory różnej konstrukcji używane były m.in. w samochodach grupy Fiat, Volkswagena, czy Toyoty.

Zobacz też: Jak stosować pierścienie dystansowe?

Na rynku pojawiały się również konstrukcje, w których wałek rozrządu był przesuwany wzdłuż swojej osi. Zmiana kąta otwarcia zaworu była realizowana poprzez krzywkę o zmiennym przekroju o kształcie stożkowym. Inaczej do tematu zmiennych faz rozrządu podeszła Honda. W swoim systemie VTEC zastosowała układ dźwigienek, które współpracowały z krzywkami wałka rozrządu i oddziaływały na popychacze zaworów. Sam wałek pracował, jak w standardowym silniku, natomiast, wznios dźwigienek był zmienny i wpływał na opóźnienie lub przyśpieszenie kąta otwarcia zaworów.

Bezstopniowa zmiana faz rozrządu

Rozwiązania z lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych cechowały się stopniową regulacją faz rozrządu. Mogła to być m.in. dwu- lub czterostopniowa zmiana. Przykładowo wałek był przesuwany do ustalonej konstrukcyjnie pozycji w zakresie średnich obrotów silnika i powracać do pozycji wyjściowej gdy silnik osiągał pełną moc. Jednak obecnie rozwijane są przede wszystkim systemy, które mogą regulować pracą rozrządu w sposób ciągły. Producenci skupili się obecnie na regulacji za pomocą dźwigienek oraz zmodyfikowanej konstrukcji popychaczy.

Zobacz też: Kiedy powinniśmy zrobić kontrolę geometrii zawieszenia?

Regulacji podlega nie tylko kąt otwarcia zaworów, ale także jego wznios. Natomiast przyszłością w dziedzinie regulacji fazami rozrządu są rozwiązania, które nie wymagają stosowania wałków rozrządu do sterowania zaworami.