Elastyczne sterowanie zaworami

Spełnienie zaostrzanych norm ekologicznych i jednoczesne sprostanie rosnącym oczekiwaniom użytkowników aut co do elastyczności silnika wydaje się mało możliwe bez systemów elastycznie sterujących pracą zaworów. Swój udział w ich powstawaniu ma firma INA.

Od niemal stulecia wiadomo, że celem zoptymalizowania pracy silnika czterosuwowego (pod dowolnym zresztą kątem, a więc np. mocy, momentu obrotowego, zużycia paliwa, toksyczności spalin itp.) należałoby sprawić, by zawory sterujące dopływem powietrza do cylindrów i wypływem z nich spalin (czyli tzw. wymianą ładunku) działały stosownie do chwilowych warunków pracy jednostki napędowej. Ideałem byłoby przy tym, aby niezależnie od siebie można było zmieniać nie tylko moment otwarcia i zamknięcia poszczególnych zaworów (tym samym i czas otwarcia), ale także wielkość ich uchylenia. Od bardzo dawna wiadomo też, że zawory powinny również spełniać następujące warunki:

• otwierać i zamykać się w możliwie najkrótszym czasie;
• powodować jak najmniejsze spadki ciśnienia (stawiać jak najmniejszy opór opływającym je gazom);
• zapewnić szczelność po zamknięciu;
• cechować się dużą wytrzymałością.

Temat na czasie

Niektóre z tych wymagań stawianych idealnym zaworom udało się już w zadawalający sposób spełnić. Prace nad innymi nieustannie trwają, o czym świadczyć może duża liczba już złożonych i wciąż składanych patentów dotyczących na przykład sterowania zaworami, szczególnie zaś sposobów zmiany ich skoku. Tak bowiem się składa, że akurat ten problem w ostatnich latach budzi coraz większe zainteresowanie. A to dlatego, że bez mechanizmów rozrządu o zwiększonej elastyczności raczej niewielka jest szansa, iż uda się spełnić wciąż zaostrzane unormowania dotyczące czystości spalin, zużycia paliwa oraz ilości emitowanego przez auta dwutlenku węgla i jednocześnie sprostać stale rosnącym oczekiwaniom użytkowników samochodów co do elastyczności silnika, która w istotny sposób wpływa na komfort jazdy. Zauważono to już przed wielu laty w firmie INA i w rezultacie stała się ona jednym z pierwszych wytwórców elementów hydraulicznej regulacji luzu zaworowego. Znalazły one na stałe zastosowanie w silnikach wszystkich najważniejszych producentów samochodów.

Sposób na silnik o połowę mniejszy

Obecnie w produkcji masowej są elementy mechanizmu sterowania zmiennymi fazami rozrządu, takie jak dźwigienki pływające i rolkowe oraz popychacze szklankowe (rysunki 1, 2, 3). Używa się ich w systemach, które pozwalają uzyskać różne krzywe wzniosu, zależnie od aktualnych parametrów pracy silnika, tak, aby uzyskać optymalny w danej chwili skok zaworu. Warunkiem koniecznym jest tu, żeby do każdej wartości skoku zaworu przypisany był odpowiedni zarys krzywki wałka rozrządu. Wyjątek stanowi stan, gdy taką wartością jest skok zerowy, czyli stałe zamknięcie zaworu. Wtedy w stałym kontakcie z trzonkiem zaworu pozostaje kołowy zarys krzywki wałka rozrządu.

Układy wyłączające zawory lub cylindry wykorzystywane są głównie w silnikach o dużej pojemności i dużej liczbie cylindrów (np. 8-, 10-, lub 12-cylindrowych) w celu zmniejszenia strat podczas wymiany ładunku i/lub zmiany punktu pracy silnika. Dzięki tym systemom jednostki V8 i V12, ze względu na równoległe sekwencje spalania, mogą być szybko zamienione w silniki cztero lub sześciocylindrowe. Testy na stacjonarnie pracującym silniku V8 dowiodły, że używanie układów wyłączających zawory pozwala oszczędzić od 8 do 15 procent paliwa podczas zwyczajnego cyklu jazdy.

Wyłączenie jest realizowane przez zastosowanie mimośrodu sterującego co drugą krzywkę. Dlatego też element przekazujący skok krzywki jest odłączony od zaworu. Znajduje się on zatem w stanie spoczynku, co w praktyce oznacza bieg jałowy. Ponieważ następuje wtedy rozłączenie ze sprężyną zaworu, pojawiający się moment bezwładności przechwytywany jest przez dodatkowe sprężyny zwane również sprężynami pomocniczymi. Pozostałe elementy układu rozrządu pracują normalnie.

Na wyłączonych cylindrach wałek rozrządu działa jedynie przeciwko sile sprężyn pomocniczych, która jest mniejsza niż odpowiednia siła sprężyny zaworowej w stosunku 4 do 5. Tym samym mniejsze są także straty związane z tarciem.

 Jak to działa?

Przyjrzyjmy się teraz jak pracuje przełączalny popychacz szklankowy, który na rysunku 4 pokazany został podczas działania w trybie zamknięcia zaworu. Otóż stosownie do potrzeb silnika funkcjonuje on następująco:

• Faza zamknięcia zaworu (wznios krzywki)
  • sprężyna (7) rozpiera korpus (6) do oporu na grzybku wewnętrznym (5);
  • krzywka wewnętrzna (2) styka się z grzybkiem (5), powstaje luz pomiędzy krzywką zewnętrzną (1) i korpusem (6).
  • przy zredukowanym ciśnieniu oleju korpus (6) i grzybek (5) są połączone dzięki blokadzie podpartej na sprężynie (4).
  • wzrost ciśnienia oleju silnika ponad wartość ciśnienia załączania, powoduje ruch tłoczka (3) i wsunięcie blokady (4) do korpusu (6).
  • element hydrauliczny (8) w grzybku (5) kompensuje powstały luz zaworowy.
• Tryb rozłączenia (skok jałowy lub częściowy)
  • krzywki zewnętrzne (1) przesuwają korpus (6) w dół, ściskając sprężynę podpierającą (skok jałowy) (7);
  • zawór sterowany jest krzywką wewnętrzną (2);
  • dezaktywacja wszystkich zaworów danego cylindra (korpus (6) rozłączony) spowoduje jego wyłączenie;
• Tryb rozłączenia (pełny skok)
  • krzywki zewnętrzne (1) przesuwają w dół korpus (6) połączony z grzybkiem, powodując otwarcie zaworu;
  • następuje obciążenie hydraulicznego elementu kompensującego (8);
  • olej zostanie wyciśnięty przez szczelinę z obszaru wysokiego ciśnienia;
  • przy obrocie krzywki do jej kołowego zarysu, następuje kompensacja luzu zaworowego.

Na podstawie materiałów Schaeffler Group (LuK, INA, FAG)

.