Časové intervaly od začátku okamžiku otevření ventilů motoru do jejich úplného uzavření vzhledem k úvratím pohybu pístu se nazývají fáze časování ventilů. Jejich vliv na provoz motoru je velmi velký. Účinnost plnění a čištění válců během provozu motoru tedy závisí na délce trvání těchto fází. To přímo určuje spotřebu paliva, výkon a točivý moment.
Podstata a role časování ventilů
V současné době existují motory, u kterých nelze fáze násilně měnit, a motory vybavené mechanismy pro změnu časování ventilů (například CVVT). U prvního typu motorů se fáze vybírají experimentálně během návrhu a výpočtu pohonné jednotky.
Vizuálně jsou všechny zobrazeny na speciálních diagramech časování ventilů. Horní a dolní úvrati (TDC a BDC) jsou krajní polohy pístu pohybujícího se ve válci, které odpovídají největší a nejmenší vzdálenosti mezi libovolným bodem pístu a osou otáčení klikového hřídele motoru. Počáteční body otevírání a zavírání ventilů (fázová délka) jsou zobrazeny ve stupních a jsou uvažovány vzhledem k otáčení klikového hřídele.
Fáze jsou řízeny pomocí mechanismu distribuce plynu (GRM), který se skládá z následujících prvků:
- vačkový hřídel (jeden nebo dva);
- ventilový mechanismus;
- řetězový nebo řemenový pohon z klikového hřídele na vačkový hřídel.
Pracovní cyklus motoru se vždy skládá ze zdvihů, z nichž každý odpovídá určité poloze ventilů na vstupu a výstupu. Začátek a konec fáze tedy závisí na úhlu natočení klikového hřídele, který je spojen s vačkovým hřídelem, jenž řídí polohu ventilů.
Na jednu otáčku vačkového hřídele vykoná klikový hřídel dvě otáčky a jeho celkový úhel natočení během pracovního cyklu je 720°.
Uvažujme o funkci časování ventilů u čtyřtaktního motoru na následujícím příkladu (viz obrázek):
- VstupV této fázi se píst přesune z horní úvrati do spodní úvrati a klikový hřídel se otočí o 180°. Výfukový ventil se uzavře a sací ventil se otevře. K tomu dochází s předstihem 12°.
- KompresePíst se přesune z spodní úvrati (BDC) do horní úvrati (DC) a klikový hřídel se znovu otočí o 180° (360° z výchozí polohy). Výfukový ventil zůstává uzavřený a sací ventil zůstává otevřený, dokud se klikový hřídel neotočí o 40°.
- Pracovní zdvihPíst se pohybuje z horní úvrati do spodní úvrati působením zápalné síly směsi paliva a vzduchu. Sací ventil je v uzavřené poloze a výfukový ventil se otevírá předčasně, když klikový hřídel ještě nedosáhl úhlu 42° k spodní úvrati. V tomto zdvihu je plné otočení klikového hřídele také 180° (540° od výchozí polohy).
- OtázkaPíst se pohybuje z horní úvrati (BDC) do horní úvrati (TDC) a vytlačuje výfukové plyny. V tomto bodě je sací ventil uzavřen (otevře se 12° před TDC) a výfukový ventil zůstává otevřený i poté, co klikový hřídel dosáhne TDC o dalších 10°. Celkové otočení klikového hřídele při tomto zdvihu je také 180° (720° od počátečního bodu).
Fáze časování také závisí na profilu a poloze laloků vačkového hřídele. Pokud jsou tedy stejné na sacím i výfukovém hřídeli, bude stejná i doba otevírání ventilu.
Proč jsou chlopně zpožděné a předsunuté?
Aby se zlepšilo plnění válců a zajistilo intenzivnější čištění výfukových plynů, ventily se neovládají v okamžiku, kdy píst dosáhne úvrati, ale s mírným předstihem nebo zpožděním. Sací ventil se tak otevírá dříve, než píst projde horní úvratí (od 5° do 30°). To umožňuje intenzivnější vstřikování čerstvé náplně do spalovacího prostoru. Sací ventil se zase zavírá se zpožděním (po dosažení spodní úvrati pístu), což umožňuje válci pokračovat v plnění palivem v důsledku setrvačných sil, tzv. setrvačné přeplňování.
Výfukový ventil se také otevírá s předstihem (40° až 80°) předtím, než píst dosáhne horní úvrati, což umožňuje únik většiny výfukových plynů vlastním tlakem. Výfukový ventil se naopak zavírá se zpožděním (po průchodu pístem horní úvratí), což umožňuje setrvačným silám pokračovat v odstraňování výfukových plynů z dutiny válce a zefektivňuje její čištění.
Úhly předstihu a zpoždění nejsou společné pro všechny motory. Výkonnější a rychlejší motory mají pro tyto intervaly větší hodnoty. Jejich časování ventilů bude proto širší.
Fáze provozu motoru, kdy jsou oba ventily otevřeny současně, se nazývá překrytí ventilů. Hodnota překrytí je zpravidla asi 10°. Zároveň, protože doba překrytí je velmi krátká a otevření ventilů je nevýznamné, nedochází k úniku. Jedná se o poměrně příznivou fázi pro plnění a čištění válců, což je zvláště důležité při vysokých rychlostech.
Na začátku otevírání sacího ventilu je aktuální tlak ve spalovací komoře vyšší než atmosférický. V důsledku toho se výfukové plyny velmi rychle pohybují k výfukovému ventilu. Když motor přepne na sací zdvih, v komoře se vytvoří vysoký podtlak, výfukový ventil se zcela uzavře a sací ventil se otevře na průřez dostatečný pro intenzivní plnění válce.
Vlastnosti variabilního časování ventilů
Při vysokých rychlostech potřebuje motor automobilu více vzduchu. A protože se ventily v systémech bez nastavitelného časování mohou zavřít dříve, než se do spalovacího prostoru dostane dostatek vzduchu, motor pracuje neefektivně. Pro vyřešení tohoto problému byly vyvinuty různé metody seřizování časování ventilů.
První motory s touto funkcí umožňovaly krokové nastavení, které umožňovalo měnit fázovou délku v závislosti na tom, zda motor dosáhl určitých hodnot. Postupem času se objevily plynulé konstrukce, které umožňovaly plynulejší a optimálnější nastavení.
Nejjednodušším řešením je systém variabilního časování ventilů (CVVT), který se realizuje otočením vačkového hřídele vzhledem k klikovému hřídeli o určitý úhel. To umožňuje měnit okamžik otevírání a zavírání ventilů, ale skutečná délka fáze zůstává nezměněna.
Pro přímou změnu trvání fáze se v řadě automobilů používá několik vačkových mechanismů a kmitavých vaček. Pro přesné ovládání regulátorů se používají komplexy senzorů, regulátoru a akčních členů. Ovládání takových zařízení může být elektrické nebo hydraulické.
Jedním z hlavních důvodů pro zavedení systémů s variabilním časováním ventilů je zpřísnění environmentálních norem pro úroveň toxicity výfukových plynů. To znamená, že pro většinu výrobců zůstává otázka optimalizace časování ventilů jednou z nejdůležitějších.
