TurboSpec

Dążenie do poprawy napełniania cylindra świeżym ładunkiem powietrza celem spełnienia wymagań technicznych coraz bardziej restrykcyjnych norm euro  spowodowało sięgnięcie do rozwiązań starych, których stosowanie nie dawało tak spektakularnych rezultatów jak np. turbodoładowanie. Wśród takich rozwiązań można zaliczyć doładowanie dynamiczne stosowane powszechnie w silnikach z wtryskiem benzyny.  W doładowaniu dynamicznym wykorzystywane są zjawiska falowe oraz efekt bezwładnościowy powietrza. Istnieje wiele wiele teoretycznych metod wyznaczania parametrów dolotu celem uzyskania doładowania dynamicznego w jak najszerszym zakresie obrotów, jednakże większość z nich obarczona jest pewnym błędem i wymaga weryfikacji i badań praktycznych. Przebieg  doładowania dynamicznego uzależniony jest od prędkości obrotowej silnika oraz parametrów geometrycznych dolotu. W systemach gaźnikowych oraz układach wtryskowych jednopunktowych systemy doładowania były podobne do siebie i wykorzystywały krótkie przewody dolotowe do silnika. Wraz z wprowadzeniem wielopunktowych systemów wtryskowych, gdzie wtrysk realizowany jest bezpośrednio przed zaworem ssącym, konstrukcja układów dolotowych uległa zmianie i została  dopracowana.  

Komercyjny systemem  doładowania dynamicznego zaprezentowała firma BMW jako systemem Valvetronic stosowany w popularnych jednostkach 316 ti. Głównym atutem systemu było usunięcie przepustnicy i wyeliminowanie źródła zakłóceń, co dało możliwość wykorzystania zjawisk falowych w całym zakresie obrotów silnika. Rolę przepustnicy w systemie przejęły zawory o regulowanym wzniosie. System umożliwiał także regulację faz rozrządu.

                                    

                      

 

Pomimo, że Honda jest bezdyskusyjnym ekspertem w turbodoładowaniu, czego dowiodła podczas okresu swojej dominacji w F1, inżynierowie Hondy uważają, że turbodoładowanie ma wiele wad, głównie duże spalanie, które nie czynią tej technologii zbyt odpowiednią do użytku codziennego. Duży wkład w rozwój systemów doładowania dynamicznego oraz systemów regulacji faz rozrządu wniosła Honda wprowadzając do swojej komercyjnej oferty silnik VTEC 1,6 dysponujący mocą 160km co dawało nie lada przyrost mocy w stosunku do jednostki bez systemu faz rozrządu z mocą 125km.   W swoim początkowym wydaniu system polegał na zastosowaniu sterowanego ciśnieniem oleju ruchomego trzpienia przesuwanego w jednej płaszczyźnie, w celu zintegrowania ruchu sąsiadujących ze sobą krzywek na wałku rozrządu. Ruch powrotny podkładki byłmożliwy dzięki sprężynie warunkującej jej powrót do pierwotnego położenia, po pokonaniu siły parcia wywieranej przez olej.

 

System zmiennych faz rozrządu dał pole do popisu konstruktorom oraz umożliwił dopracowanie i optymalizację doładowania dynamicznego. W odmianie VTEC-E SOHC system zmiennych faz rozrządu umożliwia sterowanie zaworami ssącymi za pomocą dwóch dźwigni przeznaczonych odpowiednio do sterowania przy małych i średnich prędkościach obrotowych. System taki umożliwia różny wznios zaworów i regulację zawirowania ładunku w cylindrze, co z kolei skutkuje mniejszym zużyciem paliwa.

 

vtec sohc3

Rozwinięciem systemu VTEC Hondy jest silnik  VTEC DOHC gdzie zastosowano dodatkową dźwignię z krzywkami odpowiadającymi stopniowi obciążenia silnika. Pierwszym silnikiem, który korzystał z tej implementacji był legendarny B16A, 16-zaworowa rzędowa 4 o pojemności 1595cc i mocy 160KM. Po raz pierwszy pojawiła się w 1989 w japońskich wersjach Hondy Integry XSi i RSi, w Europie zastosowano ją w 1991 w Hondzie Civic i-VT, gdzie silnik B16A1 osiągał 150 KM przy 7600 obr/min. wysokoobrotowy silnik cechował sie znakomitą kultura pracy, niskim zużyciem paliwa oraz pozwalał na osiągniecie 100 km/h w czasie niewiele przekraczającym 7 sekund. Seria DOHC VTEC w istotny sposób przyczyniła sie popularności Hondy Civic, która wkrótce stała się marzeniem prawie wszystkich młodych kierowców i przyczyniła się w dużym stopniu do rozpowszechnienia opinii o Hondzie, jako producencie najlepszych wolnossących silników spalinowych.  Celem stosowania systemu VTEC jest jak najlepsze napełnienie cylindrów mieszanką paliwowo - powietrzną w całym zakresie prędkości obrotowych silnika. Wiadomo, że przy wysokich obrotach silnika, zawory powinny pozostawać otwarte przez dłuższą część obrotu wału korbowego, by dać mieszance, a później spalinom dość czasu na pokonanie sił bezwładności. Niestety, fazy rozrządu dostosowane do wysokich obrotów silnika powodują problemu przy niskich i średnich obrotach. Mieszanka paliwowo - powietrzna ma wtedy tendencję do uciekania z cylindra, a już wypchnięte spaliny wpływają z powrotem do komory spalania. Idealnym rozwiązaniem byłyby więc inne fazy otwarcia zaworów przy niższych , inne przy wyższych obrotach silnika - i właśnie to zapewnia system DOHC VTEC. W implementacji DOHC VTEC Honda włożyła dodatkową parę krzywka/dźwignia pomiędzy pary dolotowe i wylotowe. Wszystkie trzy pary przylegają do siebie. Nowa środkowa krzywka posiada profil "sportowy", niemalże wyścigowy. Przy użyciu VTEC można dowolnie sterować załączaniem się zarówno krzywek "łagodnych" jak i krzywki "sportowej". Implementacja DOHC VTEC osiąga bardzo wysokie moce. Pierwszy wyprodukowany silnik B16A osiągał moc 160KM a teraz osiąga 170KM. W super stuningowanym silniku B16B używanym w japońskiej wersji nowej serii EK Civica Type-R osiągnięto 185KM przy ten samej pojemności 1595cc. W najnowszej serii Civica zastosowany nowy silnik o pojemności K20A który osiąga 200 KM, a wersji JDM 225 KM.

vtecdohc

 

Kolejną ewolucją VTEC jest tak zwany Intelligent VTEC. Honda wprowadziła szereg usprawnień do silnika i-VTEC. Najważniejszą z nich jest dodanie  mechanizmu płynnej regulacji zachodzenia na siebie czasów otwarć zaworów ssących oraz wydechowych. Oznacza to poprawę przebiegu zakresu mocy, a także jego dokładniejsze zestrojenie, w szczególności przy zakresie średnich obrotów. Kolejnym usprawnieniem jaki zastosowano w tym silniku to zmiana jego orientacji, a co za tym idzie również kierunku jego obrotów. Silniki i-VTEC montowane są tak, by zawory ssące skierowane były do frontu, a wydechowe do tyłu, bardzo podobnie do samochodów startujących w japońskich wyścigach GTC.

vtec4

 W systemach i-VTEC wykorzystuje się system nazywany w skrócie VTC.

vtec5

vtec6intake1

vtec7

vtec8vtec9

vtec10vtec11

Podobne systemy wykorzystują w swoich rozwiązaniach Toyota w silnikach VVTi oraz BMW w Systemie Vanos.                                                                  Należy zaznaczyć iż sam system VTC odpowiada za fazy otwarcia/zamknięcia zaworu i dopiero jako całość systemu VTEC umożliwia regulację faz oraz wysokości wzniosu zaworów. System VVT-i jest przeznaczony do sterowania wałekiem rozrządu zaworów dolotowych w zakresie  50 ° (kąt wału korbowego), aby zapewnić, fazy rozrządu optymalnie dostosowane do warunków pracy silnika. System poprawia moment obrotowy we wszystkich zakresach obrotów silnika, jak również zmniejsza zużycia paliwa i emisję szkodliwych substancji spalin. Dzięki pomiarowi prędkości obrotowej silnika, objętości powietrza wlotowego, położenia przepustnicy i temperatury płynu chłodzącego silnika, ECM oblicza optymalną fazę rozrządu w każdych warunkach jazdy  i steruje nią za pomocą zaworu sterującego oleju. Ponadto ECM używa sygnałów z czujnika położenia wałka rozrządu i położenia wału korbowego do wykrywania rzeczywistych faz rozrządu, zapewniając w ten sposób sprzężenie zwrotnego, aby osiągnąć cel.  

vvti-schematic-diagram


 

 

System ten ewoluował do systemu VVTL-i który oprócz płynnego sterowania czasem otwarcia zaworów pozwala na regulację wzniosu zaworów w zależności od obciążenia silnika. System zmienia fazy rozrządu dolotu w całym zakresie obrotów przez hydraulicznie obracanie wałka rozrządu w stosunku do jego koła napędzającego. Należy pamiętać, że VVT (bez "i") nie robi tego w sposób ciągły. Część VVL systemu jest podobne do systemu VTEC Hondy, zawierającego dwa różne krzywki. Jednak rzeczywisty mechanizm jest zupełnie inny. Systemu VVTL-i steruje zawory dolotowe jak i wydechowe za pomocą dwóch różnych profili krzywek na wałku rozrządu. Są one odpowiednio dobrane do charakterystyki obciążenia silnika. System posiada dwie niezależne krzywki z których krzywka  posiadająca dłuższy czas otwarcia zaworów, nie wpływa na dźwignię popychacza hydraulicznego współpracującego z krzywką odpowiedzialną za zakres niskich prędkości obrotowych. Przy wyższych prędkościach obrotowych ruchoma podkładka zostaje przesunięta ciśnieniem oleju i wtedy układ sterowany jest za pomocą krzywki wysokoobrotowej. Charakterystyka jej powierzchni umożliwia wydłużenie czasu otwarcia zaworów w stosunku do krzywki odpowiedzialnej za nastawy pracy w niższych partiach prędkości obrotowych o stromej charakterystyce powierzchni. Dodatkowym zadaniem płytki jest zwiększenie wzniosu zaworów.

VVTLi

Niestety Toyota musiała wycofać silniki z technologią VVTL-i z większości rynków z powodu nie spełniania norm emisyjnych EURO IV.
Valvematic to zupełna zmiana podejścia do tematu rozrządu. O ile układ VVT-i na obydwu wałkach jest już oczywistością, o tyle wraz z technologią Valvematic zaprezentowano całkowicie nowatorskie rozwiązanie dotyczące wzniosu zaworowego. W wycofanym VVTL-i mieliśmy do czynienia z dwustopniowo zmiennym wzniosem zaworów. W przypadku Valvematic wznios jest bezstopniowy i realizowany płynnie podczas pracy silnika. Tu wałek rozrządu nie napędza już bezpośrednio zaworów, ale układ wahliwej krzywki i wałka pomocniczego. Jeśli potrzebny jest wyższy wznios zaworów, wałek pomocniczy może obracać się względem krzywki o niewielki kąt, a ramię wałka pomocniczego naciska na dźwignię zaworową. Efekt? Jeszcze lepsza i płynniejsza praca silnika, a także znaczna redukcja zużycia paliwa na niskich obrotach.

 

VANOS jest połączeniem hydraulicznego i mechaniczne sterowania wałkiem rozrządu w samochodzie przez system zarządzania silnikiem.System VANOS opiera się na mechanizmie regulacji, który pozwala zmienić kąt wałka rozrządu zaworów dolotowych w stosunku do wału korbowego. Double VANOS umożliwia regulację  wałka rozrządu zaworów dolotowych  i wydechowych.VANOS steruje wałkiem rozrządu zaworów dolotowych, na podstawie prędkości  obrotowej silnika i położenia pedału gazu. Przy niskich   prędkościach obrotowych silnika, zawory dolotowe otwierają się później, co poprawia kulturę pracy jednostki. Przy umiarkowanych obrotach silnika, zawory dolotowe otwierają się znacznie wcześniej, co zwiększa moment obrotowy i pozwala na  recyrkulację spalin wewnątrz komory spalania, zmniejszenie zużycia paliwa i emisji spalin. Wreszcie, na wysokich obrotach silnika, otwarcie zaworu ssącego jest po raz kolejny opóźniona, tak że pełna moc może zostać wykorzystana.VANOS znacznie zmniejsza szkodliwą emisję spalin, zapewnia zwiększenie mocy i momentu obrotowego, a przez to lepszą kulturę pracy na biegu jałowym i oszczędność paliwa. Najnowsza wersja  Double VANOS jest stosowana w E46 M3 .

vanos_cut

double_van

Vanosex

VanosActiva

Dobrze zaprojektowany kolektor dolotowy ma niebagatelne znaczenie.  Optymalnie zestrojone systemy pozwalają na podniesienie ciśnienia na zaworze dolotowym nawet o 10 PSI w stosunku do wersji nie optymalizowanych.  

Projektując kolektor dolotowy należy wziąć pod uwagę:

  • niski opór powietrza dużą prędkość powietrza dla danego przepływu
  • równomierne rozprowadzenie powietrza i paliwa do wszystkich cylindrów
  • rozmiary które zapewnią dobrą odpowiedź na przyśpieszanie oraz gładką charakterystykę
  • zapotrzebowanie na ładunek powietrza

Kolektory dolotowe mokre posiadają pewne ograniczenia ze względu na priorytet stawiany na odpowiednie przygotowanie mieszanki paliwo-powietrze.Wykorzystanie komputerowych metod modelowania przepływu CFD jest kompleksową metodą pozwalającą na uniknięcie wytwarzanie elementów prób i błędów. Projektowanie kolektorów tunelowych typu tunnel-ram jest stosunkowo prostym zadaniem. Spowodowane to jest tym iż zazwyczaj możliwe jest wykonanie jednakowej długości i rozmiarów portów prowadzących do kolejnych cylindrów. Wszystkie porty łączą się w jeden kanał w dokładnie ten sam sposób.    

Typy układów dolotowych

Układy dolotowe składają się a wydrążonych portów które z jednej strony prowadzą do cylindrów z drugiej zaś mogą lecz nie muszą łączyć się we wspólnej komorze do zazwyczaj połączonej z przepustnicą do której wpada powietrze atmosferyczne bądź z kompresora lub sprężarki.  Niezależnie czy suchy czy mokry układ dolotowy istnieje kilka klas układów dolotowych.  

Układy dolotowe typu dual-plane  są to układy z dwoma komorami lub jedną przedzieloną z których każda komora obsługuje osobny zestaw cylindrów. Ten rodzaj układu dolotowego poprawia dolny zakres momentu obrotowego jak także charakteryzuje się szybką reakcją na pedał gazu w porównaniu do większości innych układów dolotowych.

harrop_Intake_Dual_Plane_Manifold

Układy dolotowe typu  single-plane są to układy z jedną komorą do której schodzą się wszystkie porty prowadzące z cylindrów,  występuje w nich wygładzanie fal powstających w układzie. Układy tego typu zapewniają większą moc szczytową na koszt większego momentu obrotowego w zakresie niskich prędkości obrotowych. Układy te sprawdzają się w układach z silnikami szybkoobrotowymi.  

harrop_Intake_Single_Plane_Manifold

Tunnel-Ram to odmiana kolektora typu single-plane gdzie wszystkie porty prowadzące z cylindrów spotykają się we wspólnej dużej komorze. System ten używany jest przeważnie z dwoma gaźnikami zamontowanymi na komorze w celu optymalizacji mieszanki paliwowo powietrznej. Z uwagi na dużą wspólną komorę system ma tendencję do tłumienia fal przez co traci reakcja na pedał przyśpieszenia. System jest bardzo ciężki do wystrojenia. System stosowany w samochodach wyścigowych i hot rod.

tunel ram2tunel ram 

Indywidual-Runner w systemie tym wyeliminowano komorę wspólną do której schodzą się wszystkie porty prowadzące z cylindrów. W systemie tym każdy cylinder posiada swój własny port wyposażony w przepustnicę. W systemie tym występują silne zafalowania które poprawiają znacznie osiągi w zakresie niskich i średnich obrotów, w górnym zakresie obrotów mogą stać się dość problematyczne i część paliwa w systemach z gaźnikami może się wydostawać poza porty.

Hemi_indyvidual 

Dual-Resonance jest skrzyżowaniem systemów dual-plane oraz tunel-ram. System używa dużej komory podzielonej na dwie mniejsze przez ścianę wyposażoną w dużą przepustnicę. Kiedy przepustnica jest zamknięta system zachowuje się jak dual-plane.

dual resonance

System Dual-Resonance nazwany przez Porsche VarioRam działa w trzech trybach pracy (zmiany przy 5000 i 5800 obr./min), w co zaangażowane są, oprócz trzech przepustnic, przesuwające się (o 33 mm) tuleje, łącząc kolektor ssący z komorą rezonansową o dwustopniowym działaniu. Dzięki temu rozwiązaniu w zakresie od 2500 do 4500 obr./min uzyskano wzrost momentu obrotowego przeciętnie o 15% (ok. 40 Nm), zaś moc maksymalna zwiększyła się o 5%. Działanie VarioRam: 1. Do 5000 obr./min komora rezonansowa jest wyłączona, a powietrze zasysane przez kolektor ssący do cylindrów. 2. Przy 5000 otwiera się druga przepustnica, zapewniająca dopływ powietrza do kolistej, podzielonej na dwie połowy komory rezonansowej. Jednocześnie cofają się ruchome części kolektora ssącego, dzieląc zasysane przez kolektor powietrze strumieniem drgającego powietrza z komory. 3. Przy 5800 obr./min otwiera się przepustnica dzieląca na pół komorę rezonansową i teraz powietrze drga doładowując cylindry sąsiednich rzędów, przesunięte o 180 stopni w cyklu pracy. Kiedy przepustnica jest otwarta system działa jak system single-plane.