5.mecanisme de Distribuţie Cu Faze Variabile [PDF]

Zitiervorschau

Mecanisme de distribuţie cu faze variabile

Prin distributie se intelege ansamblul organelor motorului cu ardere interna care permite umplerea cilindrilor cu incarcatura proaspata si evacuarea gazelor arse din cilindri. Cuprinde: colectoarele de admisie si evacuare, supapele, arborii cu came, componente ce asigura transmiterea miscarii de la came la supape (arcuri, tacheti, tije, culbutori), lanţul/cureaua de distribuţie şi pinioanele de angrenare. Toate motoarele moderne cu aprindere prin scanteie (pe benzina) au nevoie de aplicarea distributiei variabile pentru a putea satisface cerintele din ce in ce mai severe de economicitate, emisii poluante si performante dinamice. Se spune ca distributia este variabila atunci cand durata de deschidere si inaltimea de ridicare ale supapelor sunt variabile si, deasemenea, momentele de deschidere şi închidere ale acestora nu sunt fixe. Ȋn literatura de specialitate acestea sunt cunoscute sub numele de VVA (Variable Valve Actuation System) sau VVT (Variable Valve Timing System). Sisteme/solutii de distributie variabilă: – Valvetronic de la BMW; – VVEL de la Nissan (Variable Valve Event and Lift); – VTEC de la Honda; – VarioCam Plus de la Porsche; – MIVEC de la Mitsubishi (Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control) ; – Valvematic de la Toyota; – Multiair de la Fiat etc. Sistem de distribuție variabilă cu control electronic, sistem numit VarioCam. Prima versiune de distribuție variabilă putea varia poziția arborelui cu came astfel încât supapele de admisie să se deschidă cu avans de 15°. Acest sistem a fost utilizat până în anul 2001 când a fost evoluat în VarioCam Plus. Sistemul de distribuție actual de la Porsche, numit VarioCam Plus combină: varierea continua a fazelor de deschidere/închidere ale supapelor de admisie (VarioCam) varierea înălțimii de ridicare a supapelor de admisie (Plus). Distribuția variabilă VarioCam inițială funcționa după un principiu foarte simplu. Arborele cu came de evacuare era antrenat de arborele cotit prin intermediul unui lanț. De asemenea, arborele cu came de admisie era cuplat cu arborele cu came de evacuare tot printrun lanț. Acest lanț era prevăzut cu un sistem de întindere electro-hidraulic care putea varia poziția lanțului, în raport cu cei doi arbori cu came, astfel încât să modifice momentul de deschidere al supapelor de admisie. Întinzătorul lanțului de antrenare dintre cei doi arbori cu came are prevăzut un piston între cele două patine în contact cu lanțul. Cu ajutorul pistonului, prin comanda dată de calculatorul de injecție, lanțul este deplasat în sus/jos, simultan, pe ambele părți, în raport cu cei doi arbori cu came. Astfel, se obține o rotație de câteva grade a arborelui cu came de admisie, relativă la poziția arborele cu came de evacuare.

1

4.7. Prima versiune de sistem de distribuție variabilă VarioCam.

1.arbore cu came de evacuare 2.lanț de antrenare de la arborele cotit 3.supapă electro-hidraulică 4.lanț de antrenare arbore cu came de admisie 5.întinzător lanț cu piston comandat 6.arbore cu came de admisie

4.8. Întinzător lanț cu piston comandat, sistem de distribuție variabilă VarioCam

Întinzătorul lanțului de antrenare dintre cei doi arbori cu came are prevăzut un piston între cele două patine în contact cu lanțul. Cu ajutorul pistonului, prin comanda dată de calculatorul de injecție, lanțul este deplasat în sus/jos, simultan, pe ambele părți, în raport cu cei doi arbori cu came. Astfel, se obține o rotație de câteva grade a arborelui cu came de admisie, relativă la poziția arborele cu came de evacuare. Prin acest mecanism se putea realiza defazarea cu 15° sau 25° a arborelui cu came, față de poziția nominală. Deschiderea cu avans a supapelor de admisie se realiza în funcție de punctul de funcționare al motorului termic, între 1500 și 5500 rot/min. Sistemul de distribuție actual de la Porsche, numit VarioCam Plus combină: -varierea continua a fazelor de deschidere/închidere ale supapelor de admisie (VarioCam) -varierea înălțimii de ridicare a supapelor de admisie (Plus)

2

4.9. Sistemul de distribuție variabilă VarioCam Plus 1. fazor hidraulic 2. coroană dințată (antrenată cu lanț de arborele cotit) 3. cameră hidraulică de control 4. orificii de curgere a uleiului 5. came de admisie cu înălțime de ridicare mare 6. camă de admisie cu înălțime de ridicare mică 7. pin de blocare 8. arc elicoidal 9. tachet dublu (interior și exterior) 10. arcuri de supapă 11. supape de admisie

Comparativ cu primul sistem de distribuție variabilă VarioCam, sistemul actual variază fazele de deschidere ale supapelor de admisie în mod continuu. Cu ajutorul unor supape electrohidraulice se controlează presiunea uleiului din camera (3) care poziționează relativ arborele cu came de admisie față de coroana dințată de antrenare (2). Astfel, prin presiunea uleiului, se poate controla continuu avansul de deschidere al supapelor de admisie față de valoarea nominală. Modificarea înălțimii de ridicare a supapelor de admisie (Plus) se realizează cu ajutorul camelor cu profil diferit.

4.10b. Deschiderea supapelor de admisie cu camele cu înălțime mare

4.10a. Deschiderea supapelor de admisie cu camele cu înălțime mică

3

Controlul înălțimii de ridicare a supapelor de admisie se face cu ajutorul unei supape electrohidraulice. Acesta este comandată de calculatorul de injecție și permite alimentarea cu ulei sub presiune a cilindrilor din interiorul tacheților. 1.tachet exterior 2.orificiu de alimentare cu ulei 3.pinul tachetului exterior 4.pinul tachetului interior 5.arc elicoidal de revenire 6.cilindru 7.tachet interior

4.11. Elementele de acționare al sistemului de distribuție VarioCam Plus pentru modificarea înălțimii de ridicare a supapelor

În timpul funcționarii motorului, utilizând cama cu înălțime mică, presiunea uleiul din cilindrul (6) este redusă iar arcul elicoidal (5) menține pinul (3) în tachetul exterior (1) și pinul (4) în tachetul interior (7). Cele două parți ale tachetului, interioară și exterioară, se pot mișca independent una față de cealaltă. În acest mod de funcționare camele cu profil mare acționează pe tachetul exterior (1) care se mișcă în gol. Supapa de admisie este deschisă de tachetul interior (7) care este acționat de cama cu profil mic. Când se dorește activarea camelor cu înălțime mare, prin orificiile (2), prevăzute în tachetul interior (1) și în cilindrul (6), se introduce ulei sub presiune. Uleiul acționează asupra pin-ului (3) care este împins în tachetul interior (7) și la rândul lui împinge pinul (4) în tachetul exterior (1). În acest mod cei doi tacheți devin solidari iar supapele sunt deschise de camele cu înălțime mare. La turația de ralanti sunt activate 4.12. Sistemul de distribuție VarioCam Plus, camele cu înălțime de ridicare mică. De activarea camelor cu înălțime mare asemenea, fazele de deschidere și închidere a supapelor sunt setate astfel încât perioada de suprapunere cu ambele supape deschise (admisie și evacuare) să fie minimă. Datorită profilului redus al camei se minimizează frecările mecanice, consumul de combustibil și emisiile fiind mai mici cu aproximativ 10%. La sarcini parțiale se păstrează activate camele cu înălțime de ridicare mică. Fazele de deschidere și închidere a supapelor sunt setate astfel încât perioada de suprapunere cu ambele supape deschise (admisie și evacuare) să fie maximă. Astfel motorul funcționează cu recircularea internă a gazelor de evacuare. Acest mod permite reducerea pierderilor prin pompaj și implicit reducerea consumului de combustibil. 4

La sarcini mari se utilizează camele cu înălțime de ridicare mare iar defazarea timpilor de deschidere/închidere a supapelor este controlată astfel încât să se obțină performanțele dinamice superioare. Sistemul de distribuție VarioCam Plus permite reducerea consumului de combustibil și a emisiilor la sarcini mici și parțiale precum și performanțe dinamice remarcabile la sarcini mari ale motorului. Valvetronic & VANOS – sistemul de distribuție variabilă de la BMW Începând cu anul 2001, BMW a introdus noul motor pe benzină, în patru cilindri, echipat cu sistemul de distribuție variabilă Valvetronic. Acest motor (cod N42) a fost primul cu distribuție variabilă electromecanică, cu variație continuă a înălțimii de ridicare a supapelor de admisie. Datorită acestui sistem de distribuție motorul N42 avea consumul de combustibil mai mic cu 15%, comparativ cu motorul de generație mai veche.

4.13. Sistemul de distribuție Valvetronic & VANOS

De la lansarea primei versiuni de distribuție variabilă, sistemul Valvetronic a fost îmbunătățit continuu astfel încât să satisfacă cerințele tot mai severe în ceea ce privește emisiile poluante și gazele cu efect de seră. Datorită performațelor excepționale ale motoarelor echipate cu acest sistem de distribuție BMW a produs în anul 2008 peste 2.5 milioane de motoare echipate cu Valvetronic. Pentru a preîntâmpina viitoarele norme de emisii poluante, BMW a demarat începând cu anii 1990 studiul privind concepția unui sistem de distribuție variabilă. Având în vedere necesitatea de producere în masă a acestui sistem, s-a pus accent pe principiul de funcționare potrivit pentru acest concept. BMW a studiat potențialul sistemelor de distribuție mecanice, hidraulice și electromecanice, precum și combinații între acestea, iar în final s-a decis pentru utilizarea unui sistem de acționare electromecanic. A doua generație de Valvetronic a fost introdusă prima oară pe motorul N52, cu șase cilindri în linie, fiind un sistem optimizat care a permis îndeplinirea normelor de poluare SULEV.

5

1.chiulasă 2.supapă de evacuare 3.supapă de admisie 4.arbore cu came evacuare 5.motor electric de acționare 6.angrenaj melcat 7.arbore cu excentric 8.levier intermediar 9.arbore cu came admisie 10.arc de revenire levier intermediar 11.culbutor 12.reazem hidraulic culbutor

4.14. Componentele sistemului de distribuție Valvetronic

Deschidere a supapei de admisie (3) se realizează prin intermediul levierului intermediar (8) poziționat între arborele cu excentric (7) și culbutor (11). Arborele cu came (9) acționează asupra levierului intermediar care apasă pe supapa de admisie. Înălțimea de ridicare a supapei de admisie este ajustată în funcție de poziția arborelui cu excentric. Astfel, deschiderea supapei se realizează prin combinarea mișcării arborelui cu came cu cea a arborelui cu excentric. Pentru reducerea frecărilor dintre piesele aflate în mișcare, toate zonele de contact dintre arborele cu excentric (7), levier intermediar (8), culbutor și arbore cu came utilizează rulmenți cu role. Poziția arborelui cu excentric permite o deschidere a supapei de admisie de: -0.27 mm la regim ralanti -9.7 mm la sarcină maximă Sarcina motorului este controlată cu ajutorul motorului electric (5) care, în funcție de poziția pedalei de accelerație, poziționează arborele cu excentric pentru a realiza deschiderea necesară a supapei de admisie. Arcul de revenire (10) are rolul de a menține contactul între levierul intermediar și culbutor. Timpul de răspuns al sistemului este 0.3 secunde.

4.15. Sistemul de distribuție Valvetronic – vedere asupra sistemului de acționare 6

4.16a. Valvetronic – poziția arborelui cu excentric pentru deschiderea minimă a supapei

4.16b.Valvetronic – poziția arborelui cu excentric pentru deschiderea maximă a supapei

Sistemul de distribuție Valvetronic variază în mod continuu înălțimea de ridicare a supapelor între 0.27 mm (regim ralanti) și 9.7 mm (sarcină maximă). Împreună cu sistemul VANOS, care realizează variația continuă a fazelor de deschidere și închidere a supapelor de admisie și evacuare, distribuția Valvetronic poate regla sarcina motorului fără a avea nevoie de o clapeta obturatoare.

4.17. Sistemul de distribuție Valvetronic – varierea înălțimii de ridicare a supapelor de admisie

Altfel spus, poziția pedalei de accelerație se transformă în înălțimea de deschidere a supapei de admisie. Când conducătorul auto apasă pe pedala de accelerație, calculatorul de comandă a distribuției Valvetronic ajustează, cu ajutorul motorului electric (5), poziția arborelui cu excentric (7), reglând astfel punctul de funcționare al motorului (sarcina și turația).

7

La motoarele cu sistem de distribuție Valvetronic, în regim de funcționare normală, sarcina se reglează doar din deschiderea supapelor de admisie și nu din clapeta obturatoare. Cu toate acestea motoarele sunt echipate cu clapete obturatoare care sunt utilizate în condiții speciale: - la pornirea motorului: clapeta obturatoare este parțial închisă pentru a creea vacuum în sistemul de admisie, necesar sistemelor de reducere a poluării; după pornirea motorului vacuumul este produs în continuare de o pompa de vacuum iar clapeta obturatoare se deschide complet. - în cazul defectării sistemului de distribuție Valvetronic: motorul funcționează în regim de avarie, sarcina acestuia fiind controlată cu ajutorul clapetei obturatoare. Sistemul de control al distribuție Valvetronic conține motorul electric de acționare, 4.18. Sistemul de distribuție Valvetronic poziția o unitate electronică de control (calculator) și un minimă și maximă a supapei de admisie senzor de poziție montat pe arborele cu excentric. Rolul senzorului de poziție este de a informa unitatea electronică de control dacă arborele cu excentric are poziția unghiulară dorită. Cererea de cuplu motor a conducătorului auto, exprimată prin poziția pedalei de accelerație, este trimisă calculatorului de injecție care o transforma în cantitatea de aer necesară și ulterior în înălțimea de ridicare a supapei de admisie. Aceasta informație este trimisă unității de control a sistemului Valvetronic care ajustează poziția arborelui cu excentric pentru a controla cantitatea de aer ce intră în cilindri. A doua generație de sistem de distribuție Valvetronic vine cu o serie de îmbunătățiri menite să reducă timpul de răspuns al sistemului, consumul de combustibil și să crească puterea specifică (litrică) a motorului. Pentru a răspunde acestor cerințe, asupra sistemului de distribuție s-au efectuat următoarele modificări: -reducerea pierderilor prin pompaj la sarcini parțiale prin optimizarea profilului de ridicare a supapelor de admisie -reducerea frecărilor dintre piesele în mișcare -optimizarea arderii în cilindri -reducerea maselor pieselor Pe lângă modificările de ordin mecanic ale pieselor sistemului de acționare s-a modificat și profilul camelor de acționare, cu scopul de a optimiza procesul de ardere. Cele doua supape de admisie au profil de ridicare diferit, asimetrice. Prin acest procedeu s-a reușit crearea unui efect de vârtej la curgerea aerului în cilindri care are ca impact îmbunătățirea procesului de ardere, mai ales la sarcini parțiale. 4.19. Sistemul de distribuție Valvetronic - a doua generație 8

4.20. A doua generație a sistemului de distribuție Valvetronic

Generația a doua a sistemului de distribuție Valvetronic vine și cu îmbunătățiri ale sistemului electronic de control. Astfel poziția arborelui cu excentric este controlată direct de calculatorul de injecție, care conține și etajul de amplificare necesar pentru acționarea motorului de curent continuu. Sistemul de distribuție Valvetronic interacționează cu sistemul VANOS care presupune varierea fazelor de distribuție. În timp ce Valvetronic realizează control înălțimii de deschidere ale supapelor de admisie, VANOS controlează momentului de deschidere și închidere al supapelor. Cu aceste două sisteme combinate se obține varierea continuă a înălțimii de ridicarea și a fazelor pentru supapele de admisie.

4.21. Sistemul de variere a fazelor de distribuție Dublu VANOS

În 1992 motorul E34 a fost primul echipat cu distribuție VANOS, care acționa doar arborele cu came pentru admisie, în doua poziții fixe. Ulterior, în 1996, sistemul a evoluat în Dublu VANOS care permite varierea continuă a fazelor supapelor de admisie și evacuare, 9

între o valoarea minimă și maximă. Motorul E36 a fost primul care a beneficiat de sistem de distribuție Dublu VANOS. 1.arbore cu came 2.lanț de distribuție (antrenare) 3.cilindru conducător 4.cilindru condus 5.supapă electromagnetică Sistemul Dublu VANOS permite modificarea momentului de deschidere a supapelor prin controlul poziției unghiulare a arborelui cu came (1). La un sistem clasic de distribuție între lanțul/cureaua de acționare și arborele cu came există o legătură fixă, 4.22. Sistemul de variere a fazelor de distribuție Dublu care nu permite mișcarea relativă între VANOS – componente cele două componente. La sistemul VANOS se poate modifica poziția arborelui cu came în raport cu lanțul de antrenare, datorită camerei hidraulice aflată între cilindrul conducător (3) și cel condus (4). Prin controlul presiunii din acesta cameră hidraulică se poate poziționa cilindrul (4) în raport cu cilindrul (3). Presiunea de ulei este controlată prin intermediul unei supape electromagnetice (5) comandata de calculatorul de injecție. Pentru fiecare arbore, de admisie sau evacuare, există câte o supapă electromagnetică care pot fi acționate independent una față de cealaltă.

4.23. Exemplu de fazele de distribuție ale sistemului Dublu VANOS

Sistemul VANOS ajustează poziția unghiulară a celor doi arbori cu came. Rezultatul constă în creșterea cuplului motor la turații joase și mai multă putere la turații înalte, reducându-se în același timp consumul de combustibil și emisiile poluante. La turații joase arborele cu came de admisie este poziționat astfel încât supapele de admisie să se deschidă cu întârziere, îmbunătățindu-se astfel stabilitatea turației de ralanti. Odată cu creșterea turației supapele de admisie se deschid cu avans, mai mult aer pătrunde în

10

cilindri, ce are ca efect creșterea cuplului motor. La turații foarte înalte supapele de admisie se deschid cu întârziere pentru a permite obținerea puterii maxime. Cu sistemul Dublu VANOS se poate controla și cantitatea de gaze arse, reziduale, ce rămân în cilindri. Prin suprapunerea prelungită a timpului de deschidere a supapelor de admisie și evacuare sistemul funcționează ca un EGR intern, prin care se reduc emisiile poluante. De asemenea varierea fazelor de distribuție este utilizată și la pornirea motorului, în faza de încălzire, pentru a permite catalizatorului pe trei căi și sondei lambda să atingă mai repede temperatura nominală de funcționare. Prin utilizarea sistemului Valvetronic, pentru prima oara pe un motor cu ardere internă cu benzină sarcina motorului poate fi controlată fără utilizarea unei clapete obturatoare. Datorită acestui avantaj pierderile de pompaj sunt reduse la minim cu efect asupra creșterii performanțelor dinamice și a reducerii consumului de combustibil. Testele efectuate asupra primului motor cu patru cilindri, echipat cu sistem de distribuție Valvetronic, au arătat o reducere cu 15% a consumului de combustibili și o creștere cu 20% a performanțelor dinamice, comparativ cu motorul predecesor. Un motor pe benzină aspirat, echipat cu a doua generație de distribuție Valvetronic, poate ajunge la puteri specifice de peste 90 CP/litru și cuplu motor specific de 105 Nm/litru, respectând în același timp reglementările în ceea ce privește emisiile poluante. Cu tehnologia Valvetronic s-a reușit reducerea consumului de combustibil pentru toată gama de motoare pe benzină, automobilele putând fi comercializate pe plan internațional deoarece sistemul nu este sensibil la calitatea combustibilului. De asemenea, toate reglementările de emisii poluante în vigoare sunt îndeplinite, inclusiv cele extrem de severe cum ar fi SULEV din USA.

11