Кіріспе

Клапанды көтеру оқиғасының уақытын өзгерту процесі

Айнымалы клапан уақыты (VVT) – ішкі жану двигательінде клапанды көтеру оқиғасының уақытын өзгерту процесі болып табылады және көбінесе қозғалтқыштың жұмысын жақсарту, отынды үнемдеу немесе зиянды газдар шығарылымын азайту үшін қолданылады. Бұл жүйе айнымалы клапан көтеру жүйелерімен жиі біріктіріліп қолданылады. Мұны механикалық құрылғылардан бастап электрогидравликалық және камерасыз жүйелерге дейін әртүрлі тәсілдермен іске асыруға болады. Зиянды газдар шығарылымын реттеудің қатаң талаптары көптеген автокөлік өндірушілерін VVT жүйелерін пайдалануға итермелейді. Екі тактілі қозғалтқыштар VVT-ге ұқсас нәтижелерге қол жеткізу үшін қуат клапаны жүйесін қолданады.

Негізгі теория

Ішкі жанатын қозғалтқыштағы клапандар, сору және шығару газдарының жану камерасына кіру және одан шығуын басқару үшін қолданылады. Осы клапан оқиғаларының уақыты, ұзақтығы және көтерілуі қозғалтқыштың жұмысына маңызды әсер етеді. Ауыспалы клапан уақыты немесе ауыспалы клапан көтеруі болмаса, клапан уақыты барлық қозғалтқыш айналымдары мен жағдайлары үшін бірдей болады, сондықтан шаралар қабылдануы керек. Ауыспалы клапан уақытын басқару жүйесімен жабдықталған қозғалтқыш осы шектеуден босатылады, бұл қозғалтқыштың жұмыс диапазонында өнімділікті жақсартуға мүмкіндік береді. Поршеньді қозғалтқыштарда әдетте жетекші біліктермен (кремді бұрандалармен) басқарылатын клапандар қолданылады. Жетекші біліктер әрбір сору және шығару циклы кезінде клапандарды белгілі бір уақытқа (ұзақтығына) ашады (көтереді). Клапанның ашылу және жабылу уақыты, коленвалдың (краншафт) орналасуына байланысты маңызды. Жетекші білік, коленвал арқылы тізбектер, тісті дөңгелектер немесе белдіктермен қозғалады. Қозғалтқыш жоғары айналымдарда жұмыс істегенде көп мөлшерде ауа қажет етеді. Дегенмен, сору клапандары әрбір жану камерасына жеткілікті ауа кірмей тұрып жабылуы мүмкін, бұл өнімділікті төмендетеді. Екінші жағынан, егер жетекші білік клапандарды ұзақ уақыт бойы ашық ұстаса, мысалы, жарысқа арналған жетекші біліктерде, қозғалтқыштың төменгі айналымдарында проблемалар туындауы мүмкін. Сору клапаны әлі ашық болғанда шығару клапанын ашу, жанбаған отынның қозғалтқыштан шығуына себеп болуы мүмкін, бұл қозғалтқыштың өнімділігін төмендетеді және шығарындыларды арттырады. Инженер Дэвид Визардтың "Жылқы күшін құру" кітабында айтылғандай, егер сору және шығару клапандары бір мезгілде ашық болса, жоғары қысымды шығару газы цилиндрден ауа-отын қоспасын кері итеріп, ең жаман жағдайда сору коллекторын ластауы мүмкін.

Жалғастырмалы және дискретті

Ертедегі өзгермелі клапан уақыттандыру жүйелері дискретті (сатылы) реттеуді пайдаланды. Мысалы, 3500 айналымнан төменде бір уақыттандыру, ал 3500 айналымнан жоғарыда басқа уақыттандыру қолданылатын. Көбірек жетілдірілген "үздіксіз өзгермелі клапан уақыттандыру" жүйелері клапан уақытын үздіксіз (шексіз) реттеу мүмкіндігін ұсынады. Осылайша, уақыттандыруды барлық қозғалтқыш айналымдары мен жағдайларға қарай оңтайландыруға болады.

Кэмді фазалау мен өзгермелі ұзақтылығы

VVT-ның ең қарапайым түрі – білдекті фазалау, онда білдектің фазалық бұрышы коленвалға қатысты алға немесе артқа бұрылады. Осылайша клапандар ертерек немесе кешікпей ашылады және жабылады; алайда, білдектің көтерілуі мен ұзақтығын тек білдекті фазалау жүйесімен өзгерту мүмкін емес. VVT жүйесінде өзгермелі ұзақтықты қамтамасыз ету үшін бірнеше білдектік профильдер немесе тербелмелі білдектер сияқты күрделі жүйе қажет.

Ұшақ

1910-шы жылдардағы 200 а.к. қуаттылығындағы эксперименталды Clerget V 8 қозғалтқышы клапан уақытын өзгерту үшін жылғатын кәмшақты пайдаланған. 1920 жылдардың басындағы Bristol Jupiter радиалды қозғалтқышының кейбір түрлерінде айнымалы клапан уақытын реттеу механизмі орнатылған, негізінен жоғары сығылым қатынастарымен байланысты кіретін клапанның уақытын өзгерту мақсатында. Lycoming R 7755 қозғалтқышында екі кәмшадан тұратын өзгермелі клапан уақыты жүйесі болған, оны ұшқыш өзі таңдай алатын. Біреуі ұшып-қону, күш қуу және қашу үшін, екіншісі – экономикалық режимде ұшу үшін.

Автомобильдік

Клапанды ашу уақытын қозғалтқыштың айналу жылдамдығына сәйкес өзгерту мүмкіндігінің қажеттілігі 1920 жылдары, қозғалтқыштардың рұқсат етілген ең жоғары айналымдары көтеріле бастаған кезде алғаш рет байқалды. Осы уақытқа дейін қозғалтқыштың бос жүріс айналымдары мен жұмыс айналымдары өте ұқсас болды, сондықтан өзгермелі клапан ұзақтығына қажеттілік аз болды. Алғашқы өзгермелі клапанды уақыттандыру 1903 жылы Алансон Партридж Бруш жасаған, Кадиллактың "Runabout" және "Tonneau" машиналарында қолданылды (патент №767,794, өтініш 1903 жылғы 3 тамыз, мақұлданған 1904 жылғы 16 тамыз). 1919 жылға дейін Воксхоллдың бас дизайнері Лоренс Померой 30 98 моделін алмастыруға арналған 4.4 литрлік қозғалтқышты жобалады, оған "H Type" деген ат берілді. Бұл қозғалтқыштағы бірден-бір жоғары орналасқан кәме осі әртүрлі кәме осі білдектерін қосу үшін бойлық бағытта жылжуы керек еді. 1920 жылдары өзгермелі клапан ашу ұзақтығына арналған алғашқы патенттер пайда бола бастады, мысалы, АҚШ патенті. 1958 жылы Porsche неміс патентіне өтініш берді, ол 1959 жылы Ұлыбритания патенті GB861369 ретінде де жарияланды. Porsche патентінде клапанды көтеру мен ұзақтығын арттыру үшін тербелісті кәме қолданылды. Десмодромикалық кәме эксцентрлік валдан немесе сушпалдан итергіш/тарту таяқшасы арқылы қозғалды. Жұмыс істейтін прототип жасалған-жасалмағаны белгісіз. Fiat – өзгермелі көтеруді қамтитын функционалды автомобильдегі өзгермелі клапанды уақыттандыру жүйесін патенттеген алғашқы автоөндіруші. 1960 жылдардың соңында Джованни Торацца әзірлеген жүйе кәме ізбасарларының тірегін өзгерту үшін гидравликалық қысымды пайдаланды (АҚШ патенті 3,641,988). Гидравликалық қысым қозғалтқыштың айналымдары мен сору қысымына байланысты өзгерді. Ашылудың орташа өзгеруі 37% құрады. Alfa Romeo – өндіріс машиналарын дайындауда өзгермелі клапанды уақыттандыру жүйесін қолданған алғашқы өндіруші (АҚШ патенті 4,231,330). 1980 жылғы Alfa Romeo Spider 2000 отын инжекторлы модельдерінде механикалық VVT жүйесі болды. Жүйені 1970 жылдары Инг. Джанпаоло Гарсеа жасаған. 1983 жылдан бастап барлық Alfa Romeo Spider модельдерінде электрондық VVT қолданылды. 1989 жылы Honda VTEC жүйесін шығарды. Алдыңғы Nissan NVCS кәме осінің фазасын өзгертсе, VTEC жоғары қозғалтқыш айналымдарында максималды қуатты арттыру үшін жеке кәме профиліне ауысады. Honda өндірген алғашқы VTEC қозғалтқышы B16A болды, ол Integra, CRX және Civic хэтчбектерінде орнатылды (Жапония мен Еуропа нарықтары үшін). 1992 жылы Porsche алғаш рет VarioCam жүйесін енгізді, ол үздіксіз реттеуді қамтамасыз ететін алғашқы жүйе болды (бұрынғы жүйелер дискретті реттеуді қолданды). Жүйе Porsche 968-де шығарылды және тек сору клапандарымен жұмыс істеді.

Мотоциклдер

Өзгермелі клапан уақыты мотоцикл қозғалтқыштарына қолданылған, бірақ жүйенің салмағының артық болуына байланысты 2004 жылға дейін пайдасыз "технологиялық әшекей" деп есептелді. Содан бері VVT технологиясын қолданатын мотоциклдер қатарында Kawasaki 1400GTR/Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015), BMW R1250GS (2019) және Yamaha YZF R15 V3.0 (2017), Suzuki GSX R1000R 2017 L7 кіреді.

Теңізші

Өзгермелі клапан уақыты теңіз қозғалтқыштарына енгізіле бастады. Volvo Penta VVT теңіз қозғалтқышы ECM басқаратын, газ бөлімі фазасын қолданады, ол газ білік уақытын үздіксіз алға немесе кері жылжытады.

Дизельді

2007 жылы Caterpillar NOx шығарындыларын азайту және 2002 жылғы EPA талаптарына сәйкес EGR қолданудан бас тарту мақсатында VVT технологиясын пайдаланған C13 және C15 Acert қозғалтқыштарын жасады. 2010 жылы Mitsubishi әлемдегі алғашқы өзгермелі клапан уақыты жүйесімен жабдықталған жолаушылар көлігі дизельдік қозғалтқышы – 4N13 1.8 L DOHC I4 қозғалтқышын жаппай өндіріске шығарды.

Кэмді ауыстыру

Бұл әдіс екі камералық профильді пайдаланады, олардың арасында ауысу механизмі орналасқан (әдетте, қозғалтқыштың белгілі бір айналымдарында). Камераны ауыстыру өзгермелі клапан көтеруді және өзгермелі ұзақтықты да қамтамасыз ете алады, бірақ бұл реттеу үздіксіз емес, дискретті болып табылады. Бұл жүйені алғаш рет Honda VTEC жүйесі қолданды. VTEC гидравликалық қысымды өзгертіп, жоғары көтеруге және ұзаққа арналған тетікті, жақын орналасқан төмен көтеруге және қысқа ұзақтықтағы тетікке (немесе тетіктерге) бекітетін инелі механизмді іске қосады.

Кэмді фазалау

Көптеген өндірістік ВВТ жүйелері камералық біліктің фазасын өзгертетін вариатор деп аталатын құрылғыны қолданады, бұл кіру және шығару камералық біліктері арасындағы салыстырмалы уақытты (фаза бұрыштық өлшеммен беріледі) өзгертуге мүмкіндік береді. Бұл камералық біліктің уақытын үздіріссіз реттеуге мүмкіндік береді (дегенмен, көптеген алғашқы жүйелер дискретті реттеуді ғана қолданды), бірақ оның ұзақтығы мен көтерілуін реттеуге болмайды.

Асқынды камера

Бұл конструкциялар бөлшек камералы жамбаста тербелісті немесе шайқалысты қозғалысты пайдаланады, ол итергішке әсер етеді. Бұл итергіш клапанды ашып-жабады. Кейбір тербелісті камералы жүйелерде дәстүрлі камералы жамбас қолданылады, ал басқалары эксцентрикалық камералы жамбас және жалғауыш таяқшаны пайдаланады. Бұл принцип бу машинасына ұқсас, онда цилиндрге кіретін бу мөлшері будың "тоқталу" нүктесімен реттелген. Бұл конструкцияның артықшылығы көтеру және ұзақтықты үздіксіз реттеу мүмкіндігі. Дегенмен, мұндай жүйелерде көтеру ұзақтығына пропорционалды, сондықтан көтеру мен ұзақтықты жеке-жеке реттеуге болмайды. BMW (valvetronic), Nissan (VVEL) және Toyota (valvematic) тербелісті камералы жүйелері тек кіріс клапандарына әсер етеді.

Эксцентрикалық кремді басқару

Эксцентрикалық кәм-двигатель жүйелері экцентрикалық диск механизмі арқылы жұмыс істейді, ол кәм-лобтың бұрыштық жылдамдығын айналу кезінде баяулатып, жылдамдатады. Лобтың ашық кезеңінде баяулауы оның ұзақтығын ұзартумен бірдей. Бұл жүйенің артықшылығы – ұзақтығын көтеруге тәуелсіз өзгерту мүмкіндігі (бірақ бұл жүйе көтеруді өзгерте алмайды). Кемшілігі – әрбір цилиндр үшін екі эксцентрикалық жетек және басқару құрылғысы қажет (біреу сору клапандары үшін, екіншісі шығару клапандары үшін), бұл жүйенің күрделілігі мен құнын арттырады. MG Rover – бұл жүйені қолданып қозғалтқыш шығарған жалғыз өндіруші.

Үш өлшемді шүмерек жасушасы

Бұл жүйе ұзындығы бойымен өзгеретін (конус пішініне ұқсас) кулак жамылғысынан тұрады. Кулақтың бір жағында қысқа ұзақтығы/төмен көтерілу профилі, ал екінші жағында ұзақ ұзақтығы/жоғары көтерілу профилі бар. Кулақ бұл екі профильдің арасында тегіс өтуді қамтамасыз етеді. Ізденушімен жанасатын кулак жамылғысының бөлігін жылдыру арқылы көтерілу мен ұзақтықты үздіксіз өзгертуге болады. Бұл кулак білігін ось бойымен жылдыру арқылы (қозғалтқыш бойымен сырғыту арқылы) жүзеге асырылады, сонда тұрақты ізденуші әртүрлі көтерілу мен ұзақтық алу үшін өзгеретін кулак профиліне ұшырайды. Бұл конструкцияның кемшілігі – кулак пен ізденуші профильдерін (профильдің өзгеруіне байланысты) түйісу стресін азайту үшін мұқият жобалау қажеттігі. Ferrari бұл жүйемен жиі байланысты, бірақ бүгінгі күнге дейін осы жүйені қолданған өндірістік модельдер бар-жоқ белгісіз.

Коаксиалдық екі білік біріктірілген кремдік жапырақтың профилі

Бұл жүйе ешқандай өндірістік қозғалтқыштарда қолданылғаны белгілі емес. Оның жұмыс принципі бір ізбасардың екі жақын орналасқан өскірге созылуында жатыр. Өскір мұрын радиусының бұрыштық шегіне дейін, ізбасар екі өскірдің біріккен бетін үздіксіз, тегіс бет ретінде "көреді". Өскірлер дәл түзуленгенде ұзақтығы ең аз болады (және әр өскірдің жеке ұзақтығымен тең), ал олардың ең көп бұрылуында ұзақтығы ең көп болады. Схеманың негізгі шектеуі – ұзақтықтағы өзгеріс тек өскір мұрының нақты радиусына (камвал дәрежесінде немесе коленвал дәрежесінде осы мәннің екі есесіне) тең болуы мүмкін. Іс жүзінде, осы типтегі өзгермелі кәмшафттың ұзақтығының максималды өзгерісі шамамен қырық коленвал градусын құрайды. Бұл 1925 жылы USPTO патенттік файлдарында пайда болған, өзгермелі кәмшафттың алғашқы ұсынысы сияқты көрінеді (1527456). "Клемсон кәмшафты" осы типтің өкілі болып табылады.

Шпионатты кәмшақ

Сондай-ақ "спиральды қозғалысқа ие, біріктірілген екі валлы коаксиалды профиль" деп аталады, бұл жүйе ешқандай өндірістік қозғалтқыштарда қолданылмайтыны белгілі. Оның принципі бұрынғы түріне ұқсас және негізгі ұзақтықтағы камера профилін пайдалануға болады. Дегенмен, бір жазықтықта айналудың орнына, реттелу осьтік және айналмалы болып табылады, бұл оның қозғалысына спиральді немесе үш өлшемді сипат береді. Бұл қозғалыс бұрынғы түріндегі ұзақтық шектеуін жояды. Ұзақтығы теориялық тұрғыдан шектелмеген, бірақ әдетте бір жүз коленвал градусына жуық болады, бұл көптеген жағдайлар үшін жеткілікті. Камераны жасау қиын және қымбат екендігі айтылады, өте дәл спиральді өңдеу және сақтықпен құрастыру қажет.

Кэмсіз қозғалтқыштар

Клапандарды басқару үшін арқалық білікке (распредвалуға) сүйенбейтін қозғалтқыш конструкциялары өзгермелі клапан уақытын және өзгермелі клапан көтерілуін іске асыруда көбірек мүмкіндіктерге ие. Қазіргі уақытқа дейін арқалық біліксіз (түйесіз) конструкцияны қолданатын жалғыз өндірістік автомобиль Koenigsegg Gemera болып табылады.

Гидравликалық жүйе

Бұл жүйе кірме клапанның жабылуын басқару үшін қозғалтқыш майын пайдаланады. Кірме клапан ашу механизміне клапан иінтірегі және камера ішінде поршень кіреді. Қозғалтқышты басқару жүйесімен басқарылатын соленоидты клапан бар, ол қозғалыс кезінде қуаттанады және кері клапан арқылы майды жібереді, ал май камераға толтырылады және клапан иінтірегімен сорғыға қайтару арнасы жабылады. Кәмпидің төмен қарай қозғалуы кезінде, белгілі бір сәтте кері өту жолы ашылады және май қысымы қозғалтқыш сорғысына босатылады.