Συστήματα μεταβλητού χρονισμού/ύψους ανοίγματος βαλβίδων
'Ενα από τα κλασικά προβλήματα αντιφάσεων που αντιμετώπιζαν και
εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν οι σχεδιαστές κινητήρων αυτοκινήτων, είναι
το πρόβλημα της ρύθμισης των βαλβίδων (και πιο συγκεκριμένα του χρονισμού
τους) για βέλτιστη απόδοση του κινητήρα. 'Αλλη ρύθμιση χρειάζεται στις
χαμηλές στροφές και άλλη στις υψηλές. H τελευταία τεχνολογική (αλλά ακόμα
ακριβή) λύση στο πρόβλημα αυτό είναι τα ηλεκτρονικά συστήματα μεταβλητού
χρονισμού των βαλβίδων που έχουν κάνει την εμφάνισή τους σε ακριβά
αυτοκίνητα όπως οι BMW και οι Μερτσέντες, με πιο γνωστό στην Ελλάδα το
σύστημα V-TEC της Χόντα.
Του Πέτρου Σακελλαρίου
ΓΙΑΤΙ XPEIAZONTAI TA ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΒΑΛΒΙΔΩΝ
Σε όλη τη διάρκεια της ιστορίας της αυτοκίνησης η πιο σημαντική απαίτηση
από τους κινητήρες αυτοκινήτων ήταν η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη απόδοση
στις υψηλές στροφές. 'Ετσι σχεδιάστηκαν κινητήρες με «άγριους»
εκκεντροφόρους, δηλαδή εκκεντροφόρους στους οποίους η γωνία ανάμεσα στα
έκκεντρα των βαλβίδων εισαγωγής και σε αυτά των βαλβίδων εξαγωγής ήταν
τέτοια ώστε να επιτρέπει σημαντική επικάλυψη των χρόνων ανοίγματος των
αντίστοιχων βαλβίδων σε κάθε κύλινδρο. Με αυτό τον τρόπο οι σχεδιαστές
πετύχαιναν την καλύτερη αναπνοή του κινητήρα στις υψηλές στροφές, δηλαδή
την ταχύτερη είσοδο του μίγματος στον κύλινδρο και την ταχύτερη εξαγωγή των
καυσαερίων, που κατά το χρόνο επικάλυψης του ανοίγματος των βαλβίδων
πιέζονταν προς τα έξω από το φρέσκο μίγμα. 'Ενα μικρό ποσοστό των
καυσαερίων, που αναμιγνύονταν κατά το χρόνο επικάλυψης με το καύσιμο μίγμα,
δεν έβλαπτε, αλλά αντίθετα αποτελούσε ένα φυσικό σύστημα επανακυκλοφορίας
των παράγωγων της καύσης, πράγμα που βελτίωνε την οικονομία και μείωνε τους
ρύπους. Για τον ίδιο λόγο, την αύξηση της απόδοσης στις υψηλές ταχύτητες
λειτουργίας, σχεδιάστηκαν και οι τετραβάλβιδες κεφαλές.
O κίνδυνος της απώλειας συμπίεσης λόγω της επικάλυψης του ανοίγματος των
βαλβίδων είναι ανύπαρκτος στις υψηλές στροφές επειδή τα πάντα συμβαίνουν με
αστραπιαία ταχύτητα. 'Ομως αυτή ακριβώς η απώλεια συμπίεσης και κατά
συνέπεια η μείωση της απόδοσης συνέβαινε στις χαμηλές ταχύτητες λειτουργίας
κινητήρων με τέτοιου είδους ρύθμιση των βαλβίδων. Επίσης σε αυτές τις
ταχύτητες η ανάμιξη των καυσαερίων με το καύσιμο μίγμα ήταν πολύ
μεγαλύτερη, κάτι που αλλοίωνε πολύ τη στοιχειομετρική σύνθεση του μίγματος
και μείωνε ακόμα περισσότερο την απόδοση.
Από την άλλη αν ο χρονισμός των βαλβίδων ρυθμιζόταν για καλή απόδοση στις
χαμηλές στροφές, με πολύ μικρό χρόνο επικάλυψης του ανοίγματος των βαλβίδων
εισαγωγής και εξαγωγής, τότε σε μεγάλες ταχύτητες η απόδοση έπεφτε ή όπως
λέμε ο κινητήρας «λαχάνιαζε».
Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου του κινητήρα μειώνουν την
αντίφαση αυτή, όμως δεν την εξαλείφουν τελείως μιας και οφείλεται σε ένα
κατασκευαστικό χαρακτηριστικό του εκκεντροφόρου άξονα. H αυξανόμενη πίεση
από τη μία για καλύτερες επιδόσεις σε όλο το φάσμα των στροφών και από την
άλλη για εξοικονόμηση καυσίμων και προστασία του περιβάλλοντος ήταν μοιραίο
να στρέψει την έρευνα των κατασκευαστών σε μεθόδους πλήρους εξάλειψης αυτής
της αντίφασης.
O ΠΡΟΔΡΟΜΟΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ
'Ετσι, από το 1983 κιόλας έκανε την εμφάνισή του το πρώτο σύστημα βαλβίδων
που προσπαθούσε να λύσει το πρόβλημα της μείωσης της απόδοσης στις χαμηλές
στροφές. Το σύστημα αυτό παρουσίασε η Χόντα και το χρησιμοποίησε στις
μοτοσικλέτες της που είχαν πολυβάλβιδους κινητήρες.
Οι τέσσερις βαλβίδες κάθε κυλίνδρου ήταν χωρισμένες σε δύο ζεύγη, δύο
βαλβίδες εισαγωγής και δύο εξαγωγής. Το κάθε ζεύγος βαλβίδων έπαιρνε κίνηση
από ένα ζευγάρι κοκοράκια. Από τα κοκοράκια αυτά το ένα, το πρωτεύον,
βρισκόταν σε μόνιμη εμπλοκή με τον εκκεντροφόρο άξονα, ενώ το άλλο
συμπλεκόταν και αποσυμπλεκόταν από το πρωτεύον με ένα πείρο που τον κινούσε
ένα υδραυλικό έμβολο. 'Οταν οι στροφές ανέβαιναν αύξανε η πίεση στο υγρό
του συστήματος και το έμβολο κινούσε τον πείρο που «κλείδωνε» μεταξύ τους
τα δύο κοκοράκια. Με αυτό τον τρόπο στις χαμηλές στροφές ανοιγόκλειναν μόνο
οι δύο από τις τέσσερις βαλβίδες (δηλ. μία εισαγωγής και μία εξαγωγής) ενώ
στις υψηλές στροφές ανοιγόκλειναν και οι τέσσερις. 'Ετσι λυνόταν εν μέρει
το πρόβλημα της απώλειας συμπίεσης και της μεγάλης ανάμιξης καυσαερίων με
καύσιμο μίγμα στις χαμηλές στροφές, δεν λυνόταν όμως οριστικά μιας και ο
χρόνος επικάλυψης του ανοίγματος των βαλβίδων, έστω και των μισών, παρέμενε
ο ίδιος.
TO ΣΥΣΤΗΜΑ VANOS ΤΗΣ BMW
Το σύστημα όμως αυτό ήταν μόνο ο πρόδρομος των σύγχρονων συστημάτων
μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων. Τα περισσότερα από αυτά μεταβάλλουν απλά
το χρόνο επικάλυψης του ανοίγματος των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής,
όπως στην εικόνα 1. Τέτοιο είναι το σύστημα VANOS (εικόνα 2) της BMW. Το
σύστημα αυτό μεταβάλλει τη γωνία προπορείας του εκκεντροφόρου άξονα που
κινεί τις βαλβίδες εισαγωγής, μεταβάλλοντας έτσι το χρόνο που αυτές οι
βαλβίδες ανοίγουν ταυτόχρονα με τις βαλβίδες εξαγωγής. Αυτό επιτυγχάνεται
με την παρεμβολή ενός μηχανισμού γραναζιών ανάμεσα στην αλυσίδα που κινεί
τους εκκεντροφόρους και τον εκκεντροφόρο εισαγωγής, όπως φαίνεται στην
εικόνα 2. 'Ενα έμβολο που ελέγχεται υδραυλικά από δύο βαλβίδες, συμπλέκει
και αποσυμπλέκει τα κατάλληλα γρανάζια, μεταβάλλοντας έτσι τη γωνία του
εκκεντροφόρου εισαγωγής ώς προς τον εκκεντροφόρο εξαγωγής. Για τη μεταβολή
του χρονισμού των βαλβίδων λαμβάνονται υπ? όψη η θέση του γκαζιού και οι
στροφές του κινητήρα. Οι πληροφορίες αυτές αναλύονται από μια μονάδα
ηλεκτρονικού ελέγχου που συνδέεται και με το σύστημα DME της BMW που
ελέγχει και όλες τις άλλες λειτουργίες του κινητήρα (εικόνα 3). Το σύστημα
VANOS αυτό έχει δύο θέσεις λειτουργίας: μία με μικρό χρόνο επικάλυψης για
τις χαμηλές στροφές και μία με μεγαλύτερο χρόνο επικάλυψης για μεσαίες και
υψηλές στροφές. Μία διαφοροποίηση του VANOS από άλλα όμοιά του συστήματα
είναι ότι κοντά στο μέγιστο όριο των στροφών το σύστημα επιστρέφει στη θέση
λειτουργίας με μικρό χρόνο επικάλυψης του ανοίγματος των βαλβίδων, γιατί
σύμφωνα με τους μηχανικούς της BMW σε αυτές τις οριακές ταχύτητες
λειτουργίας του κινητήρα, είναι σημαντικό η σύνθεση του μίγματος να
βρίσκεται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στη στοιχειομετρική.
TO ΣΥΣΤΗΜΑ V-TEC ΤΗΣ XONTA
Το πιο ενδιαφέρον όμως σύστημα μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων είναι το
V-TEC της Χόντα. Και αυτό για δύο λόγους: Πρώτον για την απλότητα της
κατασκευής του (είναι πολύ πιο απλό από αυτό που περιγράψαμε προηγουμένως)
και δεύτερον γιατί εκτός από το χρόνο επικάλυψης του ανοίγματος των
βαλβίδων αυξάνει και το εύρος του ανοίγματος των βαλβίδων στις υψηλές
στροφές (εικόνα 4).
Καρδιά του συστήματος είναι ένας μηχανισμός (εικόνα 5) από τρία κοκοράκια
που μπορούν να κινούνται ανεξάρτητα το ένα με το άλλο ή να παρακολουθούν
και τα τρία την κίνηση του μεσαίου. Αυτό γίνεται με τη βοήθεια ενός εμβόλου
που αποτελείται από τρία μέρη. 'Οταν οι εγκοπές που χωρίζουν το έμβολο στα
τρία συμπίπτουν με τις γραμμές διαχωρισμού στα κοκοράκια, όπως στην εικόνα
5, τότε τα κοκοράκια κινούνται ανεξάρτητα. 'Οταν όπως το έμβολο μετακινηθεί
(υδραυλικά) προς τα δεξιά τότε τα τρία κοκοράκια συμπλέκονται μεταξύ τους
και κινούνται ταυτόχρονα. Τα τρία κοκοράκια κινούνται από τρία έκκεντρα,
όπως φαίνεται στην εικόνα 6. Από αυτά το μεσαίο έχει λοβό μεγαλύτερου ύψους
και διαφορετική γωνία. Παρατηρώντας την εικόνα 6 βλέπουμε πως το μεσαίο
έκκεντρο δεν κινεί απευθείας καμία βαλβίδα. 'Ετσι, όταν το έμβολο που
αναφέραμε προηγουμένως δεν έχει μετακινηθεί, το μεσαίο κοκοράκι κινείται
«στον αέρα». Σε αυτή την περίπτωση εξισορροπείται από το ελατήριο 10 για να
μην εκτελεί ανεπιθύμητες ταλαντώσεις.
Στις χαμηλές στροφές ο μηχανισμός που περιγράψαμε παραπάνω έχει τη θέση που
φαίνεται στην εικόνα 7. Οι εγκοπές του εμβόλου συμπίπτουν με τις εγκοπές
ανάμεσα στα κοκοράκια και έτσι οι βαλβίδες κινούνται από τα ακραία έκκεντρα
(σημειωμένα με τον αριθμό 2 στην εικόνα 6) που είναι σχεδιασμένα για
βέλτιστη λειτουργία στις χαμηλές στροφές. Το μεσαίο κοκοράκι κινείται αλλά
η κίνηση απλά απορροφάται από το ελατήριο εξισορρόπισης.
Αντίθετα στις υψηλές στροφές υγρό υπό πίεση τροφοδοτείται στο ένα άκρο του
εμβόλου, όπως φαίνεται στην εικόνα 8. Το έμβολο μετατοπίζεται και τα τρία
κοκοράκια «κλειδώνουν» μεταξύ τους. Τώρα τα δύο ακραία κοκοράκια (4 και 6
στην εικόνα 6) παρακολουθούν την κίνηση του μεσαίου. 'Ετσι ουσιαστικά τις
βαλβίδες κινούν τα μεσαία έκκεντρα (σημειωμένα με τον αριθμό 3 στην εικόνα
6) που είναι σχεδιασμένα για βέλτιστη λειτουργία στις υψηλές στροφές. Εκτός
από διαφορετικές γωνίες, αυτά τα έκκεντρα έχουν και λοβούς με μεγαλύτερο
ύψος και έτσι επιτυγχάνεται και το μεγαλύτερο εύρος ανοίγματος των βαλβίδων
στις υψηλές στροφές.
Το σύστημα ελέγχεται από μία ηλεκτρονική μονάδα επεξεργασίας μέσω μιας
σωληνοειδούς βαλβίδας που ρυθμίζει την πίεση του υγρού (εικόνα 9). Οι
παράμετροι λειτουργίας που λαμβάνονται υπ? όψη είναι οι στροφές και το
φορτίο του κινητήρα, η ταχύτητα του οχήματος και η θερμοκρασία του νερού
του συστήματος ψύξης.
H Χόντα έχει πάρει ευρεσιτεχνία για την πρωτοτυπία του συστήματός της στην
Ιαπωνία και στις ΗΠΑ, ενώ έχει υποβάλλει αιτήσεις και σε άλλες χώρες.
TA ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Με τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων βελτιώνεται σε όλο το
φάσμα των στροφών η ροπή και η ισχύς των κινητήρων. Στην εικόνα 10 βλέπουμε
τη σύγκριση της απόδοσης του ίδιου κινητήρα της Χόντα με και χωρίς
μεταβλητό χρονισμό των βαλβίδων. Ανάλογες καμπύλες δίνει η BMW και άλλοι
κατασκευαστές. Δυστυχώς το κόστος εξέλιξης αυτών των συστημάτων είναι ακόμα
υψηλό και λίγοι είναι αυτοί που μπορούν να απολαύσουν τα πλεονεκτήματά
τους. 'Ομως σίγουρα κάποτε αυτά θα χρησιμοποιούνται και στα αυτοκίνητα των
κοινών θνητών όπως συνέβη με τόσες άλλες τεχνολογικές καινοτομίες._Π.Σ.