ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΣ ΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΥΤΟΚΙΝΗΣΗ

Transcript

1 Α.Τ. Ε. Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΣ ΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΥΤΟΚΙΝΗΣΗ ΣΠΟΥΔΑΣΤΕΣ: ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Α.Ε.Μ ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ Α.Ε.Μ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΕΚΠAIΔΕΥΤΙΚΟΣ: ΚΩΣΤΗΣ Ι. ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΒΑΛΑ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2011

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία έχει σαν θέμα της το μεταβλητό χρονισμό και τη σύγχρονη αυτοκίνηση. Βασικός της στόχος είναι η ενημέρωση και η παρουσίαση των συστημάτων του μεταβλητού χρονισμού από τα τέλη της δεκαετίας του 1960 μέχρι και σήμερα. Στην προσπάθεια εξεύρεσης λύσεων για βελτιστοποίηση της λειτουργίας του κινητήρα και της προσαρμογής της στις επιταγές των νέων κανονισμών και ορίων, που θα ταν η ανάλογη νομοθεσία της Ευρώπης (EURO 4, EURO5), οι κατασκευαστές στράφηκαν αφ ενός στον τρόπο προετοιμασίας και εισαγωγής μίγματος στο χώρο καύσης (άμεσος ψεκασμός) και στη μεταβλητή ρύθμιση, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας και φορτίου, της χρονικής στιγμής και διάρκειας ανοίγματος των βαλβίδων, καθώς και του βυθίσματός της. Οι εξελίξεις της τελευταίας δεκαετίας είναι ραγδαίες και συνεχείς, γιατί τελικά ο μεταβλητός χρονισμός των βαλβίδων έδωσε πολλές λύσεις σε πολλά, άλυτα πριν, προβλήματα της λειτουργίας του κινητήρα. Ο λόγος που επιλέξαμε σαν θέμα της πτυχιακής εργασίας το μεταβλητό χρονισμό και σύγχρονη αυτοκίνηση, είναι η σπουδαιότητα των συστημάτων αυτών στην ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας των κινητήρων με γνώμονα τη βελτίωση απόδοσης ισχύος, την οικονομικότερη λειτουργία και την ελάχιστη δυνατή επιβάρυνση της ατμόσφαιρας με ρύπους.

3

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εισαγωγή γίνεται μια αναφορά και σύντομη περιγραφή της λειτουργίας των εξαρτημάτων του κινητήρα που συμμετέχουν στο χρονισμό. Τα εξαρτήματα αυτά ειναι: Στροφαλοφόρος άξονας Πληκτροφορέας Πλήκτρα Ελατήρια Βαλβίδες Μετάδοση κίνησης Εκκεντροφόρος Άξονας Ωστήρια Ωστικές ράβδοι Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται τα βασικότερα συστήματα του μεταβλητού χρονισμού. Αναλύεται η εξέλιξή τους, η φιλοσοφία τους, τα βοηθητικά τους συστήματα, τα μέρη του συστήματος του μεταβλητού χρονισμού. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύουμε τα πρώτα συστήματα μεταβλητού χρονισμού απ τις σημαντικότερες εταιρείες στην αυτοκινητοβιομηχανία. Εκεί βρίσκει κανείς εικόνες αλλά και περιγραφή της λειτουργίας τους. Στο τρίτο κεφάλαιο ασχοληθήκαμε με το μεταβλητό χρονισμό στη σημερινή εποχή και αναπτύξαμε κάποια από τα τελευταία και πιο σύγχρονα συστήματα.

5 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΕΙΣΑΓΩΓH E.1 Συμβατός χρονισμός... 8 Ε.1.1 Γενικά... 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ 1.1 Γενικά Εξέλιξη των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού Φιλοσοφία του συστήματος μεταβλητού χρονισμού (VVT) Νέα δεδομένα στο μεταβλητό χρονισμό VVT-i της Toyota Ρύθμιση βύθισης και διάρκειας ανοίγματος των βαλβίδων Βοηθητικά συστήματα Μεταβλητού Χρονισμού Σύστημα Μεταβολής Valvelift Οι εγκέφαλοι (ECU) των σύγχρονων αυτοκίνητων Μέρη του συστήματος μεταβλητού χρονισμού Υδραυλικά ωστήρια Γενικά χαρακτηριστικά των υδραυλικών Ωστήριο µε προστασία υπερχείλισης Ωστήριο µε κάτω αναρρόφηση Ωστήριο µε λαβύρινθο Ωστήριο 3CF (3CF = cylindrical cam contact Ρυθμιστής μεταβλητού χρονισμού Εκκεντροφόρος άξονας Ο ρόλος του εκκεντροφόρου Βαλβίδες Γενικά Περιγραφή Κατασκευαστικά στοιχεία βαλβίδας Υδραυλικές βαλβίδες Πνευματικές βαλβίδες ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 1

6 Περιγραφή και λειτουργία των πνευματικών βαλβίδων Μειονεκτήματα πνευματικής βαλβίδας Ηλεκτρουδραυλικες βαλβίδες Βαλβίδες νατρίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ 2.1 V-TEC της honda Τεχνολογία VTEC Τύποι VTEC και λειτουργία τους VVT-I της toyota Γενικά Περιγραφή και λειτουργία του VVT-i Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα VVTL-i Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ VVT-i ΤΑ ΣΤΑΔΙΑ ΚΑΙ ΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ VVTL-i VANOS ΤΗΣ BMW ROVER VVC PORCHE VARIOCAM ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Ο ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΣ ΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΣΗΜΕΡΑ 3.1 Ρύθμιση βυθίσματος βαλβίδων Valvetronic (Σύστημα βυθίσματος βαλβίδων της Bmw) Περιγραφή λειτουργίας του Valvetronic Σύστημα βυθίσματος βαλβίδων Valvematic της Toyota Τεχνολογία Multiair Γενικά Ανάλυση Τεχνολογίας Multiair Alfa Romeo MiTo 1.4 "MultiAir" Λειτουργία Ηλεκτρο-υδραυλικών Βαλβίδων Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Τεχνολογίας Multiair Εφαρμογή τεχνολογίας Multiair ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 2

7 3.3.7 Συμπεράσματα Το σύστημα PatAir ΕΠΙΛΟΓΟΣ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 104 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 105 ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 3

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εικόνα Ε.1 Εκκεντροφόρος στο σώμα του κινητήρα... 9 Εικόνα Ε.2 Φωτογραφία εκκεντροφόρου... 9 Εικόνα Ε.3 Σύστημα χρονισμού σε τομή με δύο εκκεντροφόρους επικεφαλής 10 Εικόνα Ε.4 Στροφαλοφόρος τετρακύλινδρου κινητήρα με σφόνδυλο Εικόνα Ε.5 Μετάδοση κίνησης με ιμάντα Εικόνα Ε.6 Μετάδοση κίνησης με καδένα Εικόνα Ε.7 εκκεντροφόρος άξονας Εικόνα Ε.8 Ωστήρια (ποτηράκια) Εικόνα Ε.9 Ωστικές ράβδοι (καλαμάκια) Εικόνα Ε.10 Ζύγωθρα (κοκοράκια) Εικόνα Ε.11 Άξονας ζυγώθρων Εικόνα Ε.12 Βαλβίδες Εικόνα Ε.13 Σύστημα υδραυλικών βαλβίδων Εικόνα Ε.14 Λειτουργία πνευματικής βαλβίδας Εικόνα Ε.15 Ηλεκτροϋδραυλική βαλβίδα Εικόνα Ε.16 Ελατήρια βαλβίδων..21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ Εικόνα 1.1 Κινητήρας Honda CBR400F του Εικόνα 1.2 Σπειροειδές διάγραμμα με overlap στη κορυφή του τόξου ΑΒ Εικόνα 1.3 Valvematic της toyota Εικόνα 1.4 Πρώτο σύστημα βαλβίδων της Honda Εικόνα 1.5 Κινητήρας i-vtec Εικόνα 1.6 Κινητήρας VVT-i Εικόνα 1.7 Διάγραμμα στροφών κινητήρα-θέσης γκαζιού Εικόνα 1.8 Διάγραμμα ισχύος Εικόνα 1.9 Κινητήρας VVTL-i Εικόνα 1.10 Σύστημα λειτουργίας Valvelift Εικόνα 1.11 Σύστημα της Audi Valvelift ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 4

9 Εικόνα 1.12 Κινητήρας της Audi με σύστημα valvelift Εικόνα 1.13 Εγκέφαλος (ECU) αυτοκινήτου Εικόνα 1.14 Ηλεκτρονική πλακέτα Εικόνα 1.15 Υδραυλικά Ωστήρια Εικόνα 1.16 Υδραυλικό ωστήριο Εικόνα 1.17 Υδραυλικό ωστήριο στην ανοιχτή φάση Εικόνα 1.18 Ρυθμιστής μεταβλητού χρονισμού Εικόνα 1.19 Εκκεντροφόρος άξονας Εικόνα 1.20 Εκκεντροφόρος επικεφαλής Εικόνα 1.21 Λειτουργία βαλβίδων Εικόνα 1.22 Τμήματα βαλβίδων Εικόνα 1.23 Δακτύλιοι εδρών βαλβίδας Εικόνα 1.24 Σύστημα υδραυλικών βαλβίδων Εικόνα 1.25 Λειτουργία πνευματικών βαλβίδων Εικόνα 1.26 Κύκλωμα πνευματικής βαλβίδας ΕΕικόνα 1.27 Λειτουργία ηλεκτρουδραυλικής βαλβίδας Εικόνα 1.28 Βαλβίδα με σύστημα multiair Εικόνα 1.29 Λειτουργία ηλεκτρουδραυλικής βαλβίδας Εικόνα 1.30 Λειτουργία σωληνοειδών βαλβίδων Εικόνα 1.31 Βαλβίδα νατρίου λοιπόν, η γίνεται η πρώτη που «φοράει ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ Εικόνα 2.1 Τεχνολογία Κινητήρα V-TEC Εικόνα 2.2 Ενιαίος επικεφαλής εκκεντροφόρος Εικόνα 2.3 Λειτουργία DOHC VTEC Εικόνα 2.4 Λειτουργία SOHC VTEC-E Εικόνα 2.5 Τα τρία στάδια του VTEC Εικόνα 2.6 Διάταξη συστήματος i-vtec Εικόνα 2.7 Λειτουργία του υπερ-vtec Εικόνα 2.8 Διάγραμμα μεταβολής χρονισμου-φάσης του εκκεντροφόρου Εικόνα 2.9 Σύστημα κινητήρα VVT-i Εικόνα 2.10 Σύστημα οδοντωτού τροχού Εικόνα 2.11 Διάγραμμα χρονισμού (overlap) ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 5

10 Εικόνα 2.12 Άνοιγμα-κλείσιμο βαλβίδων σε διαφορετικες χρονικές στιγμές Εικόνα 2.13 Βύθισμα βαλβίδων VVTL-i Εικόνα 2.14 Διάγραμμα λειτουργία VANOS της BMW Εικόνα 2.15 Το VANOS της BMW Εικόνα 2.16 Σύστημα rover vvc Εικόνα 2.17 Διάγραμμα VVC της ROVER Εικόνα 2.18 Λειτουργία του συστήματος Variocam Plus Εικόνα 2.19 Έκκεντρα του συστήματος Variocam Plus Εικόνα 2.20 Κινητήρας Nissan VVL ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Ο ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΣ ΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΣΗΜΕΡΑ Εικόνα 3.1 Σύστημα Valvetronic Εικόνα 3.2 Διάγραμμα ροπής-ισχύος Εικόνα 3.3 Λειτουργία Valvetronic Εικόνα 3.4 Σύστημα Valvematic Εικόνα 3.5 Λειτουργία συστήματος Valvematic Εικόνα 3.6 Κινητήρας τεχνολογίας Multiair Εικόνα 3.7 Τεχνολογία Multiair Εικόνα 3.8 Κινητήρας Alfa Romeo Mito Εικόνα 3.9 Κινητήρας Alfa Romeo Mito TurboBenzina Εικόνα 3.10 Έμβολο-Βαλβίδες τεχνολογίας MultiAir Εικόνα 3.11 Μηχανικά έκκεντρα MultiAir Εικόνα 3.12 Λειτουργια κινητήρα Toyota prius Εικόνα 3.13 Θερμοδυναμικός κύκλος Pattakon Εικόνα 3.14 Σύστημα pattair Εικόνα 3.15 Σύστημα βυθίσματος βαλβίδων pattair Εικόνα 3.16 Λειτουργία βαλβίδων pattair Εικόνα 3.17 Σύστημα pattair σε κινητήρες VTEC Εικόνα 3.18 Κινητήρας Μεταβλητής Χωρητικότητας ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 6

11 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εισαγωγή γίνεται μια αναφορά και σύντομη περιγραφή της λειτουργίας των εξαρτημάτων του κινητήρα που συμμετέχουν στο χρονισμό. Τα εξαρτήματα αυτά είναι: Στροφαλοφόρος άξονας Πληκτροφορέας Πλήκτρα Ελατήρια Βαλβίδες Μετάδοση κίνησης Εκκεντροφόρος Άξονας Ωστήρια Ωστικές ράβδοι Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται τα παραπάνω βασικότερα συστήματα του μεταβλητού χρονισμού. Αναλύεται η εξέλιξή τους, η φιλοσοφία τους, τα βοηθητικά τους συστήματα, τα τμήματα του συστήματος του μεταβλητού χρονισμού. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύουμε τα πρώτα συστήματα μεταβλητού χρονισμού απ τις σημαντικότερες εταιρείες στην αυτοκινητοβιομηχανία. Εδώ βρίσκει κανείς εικόνες αλλά και περιγραφή της λειτουργίας τους. Στο τρίτο κεφάλαιο ασχοληθήκαμε με το μεταβλητό χρονισμό στη σημερινή εποχή και αναπτύξαμε κάποια από τα τελευταία και πιο σύγχρονα συστήματα. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 7

12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ E.1 Συμβατός χρονισμός Ε.1.1 Γενικά Χρονισμός είναι ο συντονισμός τις κίνησης του εμβόλου με την κίνηση των βαλβίδων. Ουσιαστικά στον εσωτερικό χρονισμό συντονίζονται ο στροφαλοφόρος και ο εκκεντροφόρος άξονας, ώστε το άνοιγμα και κλείσιμο των βαλβίδων να γίνεται την κατάλληλη στιγμή και η διάρκεια ανοίγματος των βαλβίδων να είναι επαρκής. Τα εξαρτήματα του κινητήρα που συμμετέχουν στο χρονισμό είναι : Στροφαλοφόρος άξονας Πληκτροφορέας Πλήκτρα Ελατήρια Βαλβίδες Μετάδοση κίνησης Εκκεντροφόρος Άξονας Ωστήρια Ωστικές ράβδοι Ανάλογα με τη θέση του εκκεντροφόρου άξονα ως προς τον κινητήρα, ποικίλουν τα εξαρτήματα και ο τρόπος συνεργασίας τους για να ολοκληρωθεί ο εσωτερικός χρονισμός. Ά Εκκεντροφόρος μέσα στον κινητήρα (εικόνα Ε1) Η κίνηση του συστήματος χρονισμού δίνεται απ την περιστροφή στροφαλοφόρο άξονα, απ τον οποίο μεταδίδεται μέσω οδοντωτού ιμάντα ή αλυσίδας ή οδοντοτροχών (λοξής οδόντωσης) προς τον εκκεντροφόρο άξονα. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 8

13 Εικόνα Ε.1 Εκκεντροφόρος στο σώμα του κινητήρα Ο εκκεντροφόρος είναι ένας άξονας στον οποίο υπάρχουν τα έκκεντρα (εξογκώματα με ωοειδές σχήμα), που είναι τόσα, όσες και οι βαλβίδες του κινητήρα (εικόνα Ε.2). Εικόνα Ε.2 Φωτογραφία εκκεντροφόρου Αυτός ο άξονας, παίρνοντας κίνηση απ το στροφαλοφόρο, όπως περιγράφηκε παραπάνω, περιστρέφεται, αλλάζοντας έτσι τη θέση των έκκεντρων. Όταν η αιχμηρή ακμή τους είναι προς τα πάνω, τότε πιέζουν τα αντίστοιχα ωστήρια (ποτηράκια), που με τη σειρά τους ωθούν τις ωστικές ράβδους (καλαμάκια) κι αυτές τα πλήκτρα (κοκοράκια), που τελικά πιέζουν τις βαλβίδες, με αποτέλεσμα να τις ανοίγουν ενεργώντας αντίθετα προς τη δύναμη των ελατηρίων. Όταν τα έκκεντρα περιστραφούν στην ομαλή πλευρά τους, τότε ο συνδυασμός των παραπάνω πιέσεων παύει να υφίσταται, οι βαλβίδες παύουν να πιέζονται κι έτσι τα ελατήρια με την προέντασή τους επανέρχονται στην αρχική τους θέση κλείνοντας τις βαλβίδες. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 9

14 Β Εκκεντροφόρος άξονας επικεφαλής Όταν ο εκκεντροφόρος είναι πάνω απ τους κυλίνδρους (εικόνα Ε.3), τότε διακρίνουμε δύο βασικές περιπτώσεις: Να υπάρχουν πλήκτρα (κοκοράκια) που πιέζονται απ τα έκκεντρα χωρίς την παρεμβολή ωστηρίων και ωστικών ράβδων. Τα έκκεντρα να πιέζουν τα ωστήρια (συνήθως υδραυλικά) και αυτά απευθείας να πιέζουν τις βαλβίδες. Εικόνα Ε.3 Σύστημα χρονισμού σε τομή με δύο εκκεντροφόρους επικεφαλής Στις περιπτώσεις αυτές η μετάδοση της περιστροφικής κίνησης απ το στροφαλοφόρο στον εκκεντροφόρο άξονα γίνεται με τους τρόπους που περιγράφηκαν στην προηγούμενη περίπτωση, μόνο που το σύστημα μετάδοσης κίνησης γίνεται πιο πολύπλοκο με τη συμμετοχή συστήματος τροχαλιών και οδοντωτών τροχών. Επίσης δεν χρειάζονται ωστικές ράβδοι, πλήκτρα και πληκτροφορέας. Επειδή μια πλήρης κίνηση των βαλβίδων θα γίνει κατά τη διάρκεια των τεσσάρων χρόνων, δηλαδή κατά τη διάρκεια δύο στροφών του στροφαλοφόρου, ο εκκεντροφόρος πρέπει να περιστρέφεται με το ήμισυ των στροφών του στροφαλοφόρου άξονα. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 10

15 Στροφαλοφόρος άξονας Ο συγκεκριμένος άξονας (εικόνα Ε.4) αποτελεί το εξάρτημα που ουσιαστικά μετατρέπει την ενέργεια που παράγεται από την παλινδρομική κίνηση των εμβόλων, τα οποία κινούνται από την εκτόνωση των αερίων στο θάλαμο καύσης. Με απλά λόγια, οι διωστήρες (μπιέλες) στρέφουν το στροφαλοφόρο άξονα, μετατρέποντας την παλινδρομική σε περιστροφική κίνηση. Στα βασικά μέρη της μηχανικής συναρμογής περιλαμβάνονται τα κομβία βάσης, έδρανα υψηλής αντοχής στα οποία στηρίζεται και περιστρέφεται ο στροφαλοφόρος, ενώ ταυτόχρονα λιπαίνονται, ώστε να μειωθούν οι παραγόμενες τριβές και κατά συνέπεια η θερμότητα. Τα σημεία που συνδέονται οι διωστήρες ονομάζονται κομβία στροφάλων, ενώ τα εξογκώματα σε σχήμα κιθάρας λειτουργούν ως αντίβαρα τα οποία χρησιμεύουν για τη στατική και δυναμική ζυγοστάθμιση του άξονα. Εικόνα Ε.4 Στροφαλοφόρος τετρακύλινδρου κινητήρα με σφόνδυλο Το υλικό κατασκευής ενός στροφαλοφόρου συνήθως είναι χυτός χάλυβας ή επεξεργασμένος χάλυβας υψηλής αντοχής, ενώ σε εξεζητημένες εφαρμογές υιοθετείται η σφυρηλατική μέθοδος κατασκευής. Η εξέλιξη των μεταλλουργικών κατεργασιών εξασφαλίζει την απαιτούμενη αντοχή στις καμπτικές ροπές που δέχεται ο άξονας, διατηρώντας παράλληλα το συνολικό βάρος του κινητήρα σε χαμηλά επίπεδα αφού ο στροφαλοφόρος αποτελεί ένα από τα βαρύτερα εξαρτήματα ενός μοτέρ. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 11

16 Β Μετάδοση κίνησης Η μετάδοση κίνησης εσωτερικά του κινητήρα γίνεται με τρεις τρόπους: Με ιμάντα: Ιμάντας, που στην εσωτερική του επιφάνεια φέρει οδοντώσεις (εικόνα Ε.5) και με τον οποίο παίρνει κίνηση ο εκκεντροφόρος απ το στροφαλοφόρο άξονα. Σε σχέση με την αλυσίδα προσφέρει αθόρυβη λειτουργία, έχει μικρότερο βάρος και δεν απαιτεί λίπανση αλλά επιβαρύνει τον οδηγό με κόστος αντικατάστασης στα περίπου χιλιόμετρα. Πάντως, σε αρκετά νέα μοντέλα υπάρχουν ιμάντες που αλλάζουν αρκετές δεκάδες χιλιόμετρα αργότερα. Εικόνα Ε.5 Μετάδοση κίνησης με ιμάντα Με καδένα (αλυσίδα εκκεντροφόρου): Η καδένα είναι ένας τύπος αλυσίδας μέσω της οποίας παίρνει κίνηση ο εκκεντροφόρος άξονας από το στροφαλοφόρο. Λόγω του θορύβου που προκαλεί η κίνησή της, τη θέση της παίρνουν συνήθως οι οδοντωτοί ιμάντες. Ωστόσο, οι λεγόμενοι ιμάντες χρονισμού χρειάζονται έλεγχο και αντικατάσταση συνήθως κάθε χιλιόμετρα κάτι το οποίο δεν είναι απαραίτητο στην περίπτωση της καδένας. Έτσι, ο κάτοχος ενός αυτοκινήτου με καδένα (όπως είναι το Toyota Yaris) δεν επιβαρύνεται με το έξοδο της αλλαγής του ιμάντα χρονισμού. Εικόνα Ε.6 Μετάδοση κίνησης με καδένα ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 12

17 Κίνηση με οδοντοτροχούς: Χρησιμοποιείται όταν ο εκκεντροφόρος άξονας βρίσκεται μέσα στον κορμό του κινητήρα. Η παλινδρομική κίνηση γίνεται μέσω ράβδων ώθησης απ τον εκκεντροφόρο προς τα ζύγωθρα. Για την απόσβεση των θορύβων οι οδοντοτροχοί έχουν λοξή οδόντωση. Για τον ίδιο λόγο, λοξή οδόντωση έχει και ο οδοντοτροχός του εκκεντροφόρου άξονα. Γ. Εκκεντροφόρος Άξονας Είναι ένας άξονας που φέρει ένα σύνολο εκκέντρων. Όταν ο εκκεντροφόρος περιστρέφεται τα έκκεντρα σπρώχνουν τα ωστήρια των βαλβίδων ενώ ανάλογα με τη διάταξη του κινητήρα μπορεί να υπάρξει ένας ή και περισσότεροι εκκεντροφόροι. Τα περισσότερα σύγχρονα μοτέρ εξοπλίζονται με δύο εκκεντροφόρους, που βρίσκονται στο επάνω μέρος της κυλινδροκεφαλής και λαμβάνουν κίνηση από το στροφαλοφόρο άξονα μέσω ιμάντα, οδοντωτών τροχών ή αλυσίδας (καδένα). Ο εκκεντροφόρος άξονας περιστρέφεται με τις μισές στροφές απ ό,τι ο στροφαλοφόρος. Στους παλιότερης τεχνολογίας κινητήρες ο ή οι εκκεντροφόροι βρίσκονταν στα πλάγια του κινητήρα και κινούσαν τις βαλβίδες μέσω ωστικών ζύγωθρων τα γνωστά «κοκοράκια». Οι σύγχρονοι κινητήρες χρησιμοποιούν «επικεφαλής εκκεντροφόρους», όπου θα πρέπει να πούμε πως έχουν σχέση με τη σχεδίαση των βαλβίδων, έτσι ώστε ο εκκεντροφόρος να βρίσκεται ενσωματωμένος στην κυλινδροκεφαλή και ακριβώς πάνω απ αυτές. Εικόνα Ε.7 εκκεντροφόρος άξονας ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 13

18 Ολόκληρος ο μηχανισμός πιέζει τις βαλβίδες απ ευθείας με τα έκκεντρα ή με την παρεμβολή των υδραυλικών ωστηρίων οπότε γίνεται πιο κόμπακτ σε διαστάσεις, γιατί βρίσκεται κοντύτερα στις βαλβίδες κι έτσι τα μέρη του όλου μηχανισμού ανοίγματος και κλεισίματός τους μπορούν να είναι πιο ελαφριά. Οι βαλβίδες μπορούν ν ανοιγοκλείνουν πιο γρήγορα και συνεπώς ο κινητήρας να είναι πιο εύστροφος και πιο ελαστικός στη λειτουργία του. Στα συστήματα μ έναν επικεφαλής εκκεντροφόρο (SOHC) ο ίδιος εκκεντροφόρος κινεί όλες τις βαλβίδες, ενώ στους κινητήρες με δύο επικεφαλής εκκεντροφόρους (DOHC) ο ένας κινεί τις βαλβίδες εισαγωγής και ο άλλος τις βαλβίδες εξαγωγής. Ωστήρια (ποτηράκια): Το σύστημα μετάδοσης κίνησης των βαλβίδων με ωστήριο είναι ένα σύστημα με άμεση μετάδοση κίνησης. Μεταξύ βαλβίδας κι εκκεντροφόρου άξονα δεν τοποθετείται κανένα στοιχείο μετάδοσης. Η παλινδρομική κίνηση του έκκεντρου μεταδίδεται απευθείας απ το καμπύλο μέρος του ωστηρίου (εικόνα Ε.8) στη βαλβίδα. Οι άμεσοι μηχανισμοί κίνησης ξεχωρίζουν από πολύ καλές τιμές ακαμψίας και ταυτόχρονα μικρές κινούμενες μάζες. Δείχνουν επομένως καλή συμπεριφορά και σε υψηλές στροφές. Η λήψη απ τα ωστήρια εκτελείται μέσω ολίσθησης, δηλαδή μεταξύ του καμπύλου μέρους του ωστηρίου κι έκκεντρου παρουσιάζονται απώλειες τριβής. Μέσω μιας κατάλληλης ένωσης υλικών μπορούν αυτές οι απώλειες να διατηρηθούν σε χαμηλά επίπεδα. Για να μειωθεί κι άλλο η εμφανιζόμενη φθορά σε μερικές παραλλαγές ωστηρίων, το έκκεντρο τοποθετείται τροχισμένο λοξά και μετατοπισμένο προς το πλάι του ωστηρίου, ώστε αυτό σε κάθε κίνηση να περιστρέφεται με μία συγκεκριμένη γωνία περιστροφής. Εικόνα Ε.8 Ωστήρια (ποτηράκια) ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 14

19 Ωστικές ράβδοι (καλαμάκια) Στους ΟΗV κινητήρες ( μ επικεφαλείς βαλβίδες) με τον εκκεντροφόρο τοποθετημένο στον κορμό, χρησιμοποιούνται ωστικές ράβδοι (εικόνα Ε.9) για να μεταφέρουν την κίνηση απ τον εκκεντροφόρο μέσω των ζυγώθρων στις βαλβίδες. Εκτός απ τη σύνδεση για μεταφορά της κίνησης μερικές ωστικές ράβδοι χρησιμοποιούνται σαν αγωγοί για τη μεταφορά λαδιού στα ζύγωθρα. Το λάδι στέλνεται επάνω μέσω της εσωτερικής κοιλότητας της ωστικής ράβδου. Το κάτω μέρος της ωστικής ράβδου είναι τοποθετημένο μέσα στην κοιλότητα του ωστηρίου (ποτηράκι). Το βάθος της κοιλότητας σ αυτό το σημείο είναι αρκετο, ώστε να προλαμβάνει την πτώση της ωστικής ράβδου απ το ωστήριο κατά τη διάρκεια της λειτουργίας. Το πάνω μέρος της ωστικής ράβδου τοποθετείται μέσα σε μια κοιλότητα του ζυγώθρου. Εικόνα Ε.9 Ωστικές ράβδοι (καλαμάκια). Ζύγωθρα (κοκοράκια) Αν οι βαλβίδες δεν παίρνουν κίνηση άμεσα απ τον εκκεντροφόρο (μέσω κυπελλοειδών ωστηρίων), τότε ανοίγονται απ τον εκκεντροφόρο άξονα μέσω ζυγώθρων (κοκοράκια) (εικόνα Ε.10). Υπάρχουν ζύγωθρα του ενός βραχίονα, τα οποία στηρίζονται με το ένα άκρο τους πάνω σε πίρο με σφαιρική κεφαλή. Στο άλλο άκρο τους μεταφέρουν την κίνηση του έκκεντρου πάνω στην βαλβίδα. Η τριβή μεταξύ έκκεντρου και ζυγώθρου μπορεί να μειωθεί, αν στο βραχίονα τοποθετηθεί τροχίσκος. Εικόνα Ε.10 Ζύγωθρα (κοκοράκια). ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 15

20 Εκτός απ τα ζύγωθρα του ενός βραχίονα υπάρχουν κι άλλα, δύο βραχιόνων. Ο εκκεντροφόρος βρίσκεται κάτω απ τα ζύγωθρα. Η ανύψωση του ζυγώθρου απ το έκκεντρο μετατρέπεται σε κίνηση της βαλβίδας. Η τριβή μεταξύ έκκεντρου και ζυγώθρου μειώνεται με τη χρήση ενός τροχίσκου, όπως και στην προηγούμενη περίπτωση. Τα ζύγωθρα κατασκευάζονται κατά προτίμηση από λαμαρίνα. Παράλληλα υπάρχουν μερικά που κατασκευάζονται από χυτοχάλυβα με μέθοδο χύτευσης ακρίβειας. Την επαφή προς το έκκεντρο δημιουργεί συχνά ένας κύλινδρος με ρουλεμάν (ζυγώθρου με ρουλεμάν). Η ροπή αδράνειας της μάζας και η ακαμψία του ζυγώθρου εξαρτώνται πολύ απ τον τύπο κατασκευής. Σε σύγκριση με τα ωστήρια κοντοί μοχλοί δημιουργούν μικρότερες ροπές αδράνειας κι εκτός αυτού μπορούν να πραγματοποιηθούν κατασκευές με μικρότερα σώματα, απ την πλευρά της βαλβίδας. Όσον αφορά την ακαμψία, τα ζύγωθρα με ρουλεμάν μειονεκτούν σε σχέση μ εκείνα τα ωστήρια. Άξονας ζυγώθρων (πιανόλα) Ο άξονας ζυγώθρων (εικόνα Ε.11) τοποθετείται στο πάνω μέρος της κεφαλής κι έχει σαν σκοπό την στήριξη των ζυγώθρων (κοκοράκια) καθώς και την ευθυγράμμισή τους. Κατά τη λειτουργία του καταπονείται σε κάμψη κι εφελκυσμό λόγω των αδρανειακών δυνάμεων που ασκούνται στον κορμό του. Εικόνα Ε.11 Άξονας ζυγώθρων. Βαλβίδες: Οι βαλβίδες (εικόνα Ε.12) σαν ενιαία κομμάτια αποτελούνται από πολλά μέρη. Η μεγάλη διάμετρος της βαλβίδας καλείται κεφαλή. Η κωνική επιφάνεια, περιφερειακά της κεφαλής με την οποία εξασφαλίζεται στεγανή επαφή με την ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 16

21 έδρα της, ονομάζεται πρόσωπο. Η γωνία αυτής της κωνικότητας είναι 30 ή 45. Όταν η βαλβίδα κάθεται στην έδρα της δεν πρέπει να επιτρέπεται τη ροή καυσίμου μίγματος ή καυσαερίων απ αυτή, κάτι που εξασφαλίζεται με την κατάλληλη λείανση της έδρας και της κωνικής επιφάνειας της βαλβίδας (πρόσωπο). Η επιφάνεια μεταξύ του δίσκου κεφαλής και της κωνικής επιφάνειας ονομάζεται χείλος. Το στέλεχος της βαλβίδας κινείται μέσα στον οδηγό ευθύγραμμα. Στην ουρά της βαλβίδας τοποθετούνται οι ασφάλειες προκειμένου να κρατούν αυτή πάνω στο ελατήριο με κάποια προένταση. Επίσης είναι απαραίτητο το στεγανοποιητικό εξάρτημα (τσιμουχάκι) για να προληφθεί η διαρροή λαδιού απ την ουρά προς την κεφαλή. Εικόνα Ε.12 Βαλβίδες Υδραυλικές βαλβίδες. Σήµερα, στους περισσότερους κινητήρες χρησιμοποιούνται οι υδραυλικές (αυτορρυθμιζόμενες) βαλβίδες (εικόνα Ε.13). Στις βαλβίδες αυτές δεν απαιτείται ρύθμιση του διάκενου (χάρης), επειδή διαθέτουν σύστηµα υδραυλικής αντιστάθμισης της χάρης, που χρειάζεται να υπάρχει ανάµεσα στο στέλεχος της βαλβίδας και στο ζύγωθρο ή στο έκκεντρο, όταν ο εκκεντροφόρος είναι επικεφαλής. Με το σύστηµα αυτό, αντισταθμίζεται η μεταβολή του μήκους του στελέχους της βαλβίδας και των λοιπών εξαρτημάτων µε υδραυλικό τρόπο, ώστε να μηδενίζεται η χάρη, όταν ο κινητήρας λειτουργεί. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 17

22 Εικόνα Ε.13 Σύστημα υδραυλικών βαλβίδων. Όταν οι βαλβίδες ωθούνται άµεσα απ τον επικεφαλής εκκεντροφόρο, το στοιχείο αντιστάθμισης βρίσκεται μέσα στο κυπελοειδές ωστήριο. Αν οι βαλβίδες κινούνται µέσω ζυγώθρων, τότε το έδρανο του ζυγώθρου στην κυλινδροκεφαλή διαμορφώνεται ως στοιχείο αντιστάθμισης της χάρης. Ο τρόπος λειτουργίας είναι ίδιος µ αυτόν της προηγούμενης περίπτωσης. Πνευματικές βαλβίδες. Θα μπορούσε να πει κανείς ότι είναι η εξέλιξη του συμβατικού συστήματος των βαλβίδων, το οποίο όμως καταργεί τη χρήση ελατηρίων για την επαναφορά των βαλβίδων. Ουσιαστικά, οι πνευματικές βαλβίδες (εικόνα Ε.12) δουλεύουν μ ένα κύκλωμα του οποίου η πίεση δίνει στη βαλβίδα την τάση και την ένταση να επανέλθει στην κλειστή της θέση, ακριβώς όπως και το ελατήριο. Παραστατικότερα φαίνεται στο παρακάτω σχέδιο, όπου καθαρά βλέπουμε τον κενό χώρο, στον οποίο το κύκλωμα επιδρά, αυξάνοντας την πίεση, προκειμένου αυτό να δρα ως ελατήριο για την επαναφορά της βαλβίδας στην κλειστή της θέση. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 18

23 Εικόνα Ε.14 Λειτουργία πνευματικής βαλβίδας. Το κύκλωμα χρησιμοποιεί άζωτο, το οποίο είναι αδρανές αέριο και τα χαρακτηριστικά του είναι όμοια μ αυτά του αέρα ως μέσο πίεσης του συστήματος. Για να λειτουργήσει το σύστημα απαιτεί την ύπαρξη μιας εξωτερικής δεξαμενής συμπιεσμένου αερίου (συνήθως τοποθετημένη μέσα σε ένα από τα δύο πλευρικά καλύμματα ψυγείων του), ενός ρυθμιστή πίεσης του κυκλώματος μονόδρομων βαλβίδων ροής, καθώς και συστήματος αφαίρεσης καταλοίπων λαδιού που τυχόν να εισχωρήσουν στο σύστημα κατά τη λειτουργία του και να δημιουργήσουν προβλήματα. Ηλεκτροϋδραυλικές βαλβίδες. Για να πάμε ένα βήμα παρακάτω, εταιρίες όπως η Honda έχουν πειραματιστεί και με συστήματα ηλεκτροϋδραυλικών βαλβίδων που εφαρμόζουν την ίδια αρχή λειτουργίας, καταργούν όμως τη χρήση εκκεντροφόρων και χρησιμοποιούν πνευματικό σύστημα και για το άνοιγμα της βαλβίδας εκτός απ το κλείσιμό της. Τα πλεονεκτήματα ενός τέτοιου συστήματος είναι πολλά, με σημαντικότερα τη μείωση των απωλειών ισχύος του κινητήρα γιατί δεν έχουμε εκκεντροφόρους να χρειάζεται να πάρουν κίνηση από αυτόν, αλλά και την απόλυτα ρυθμιζόμενη συμπεριφορά των βαλβίδων όσον αφορά τη διάρκεια και το χρονισμό τους, με οφέλη στην επέκταση του ωφέλιμου εύρους λειτουργίας του κινητήρα. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 19

24 Εικόνα Ε.15 Ηλεκτροϋδραυλική βαλβίδα. Τη δομή ενός τέτοιου συστήματος βλέπουμε στην παραπάνω εικόνα 1.60, όπου έχουμε τη βαλβίδα στο κέντρο συνδεδεμένη στο πάνω μέρος της μ ένα τύπο πιστονιού και δύο δεξαμενές πίεσης συνδεδεμένες με την πάνω και την κάτω πλευρά του θαλάμου, στον οποίο βρίσκετε το προαναφερθέν πιστόνι. Με τη χρήση ηλεκτροβαλβίδων και ρυθμιστών πίεσης η κίνηση της βαλβίδας είναι απόλυτα ελεγχόμενη. Ασφαλώς, ένα τέτοιο σύστημα δεν έχει κάνει την εμφάνισή του σε μονοθέσιο της Formula 1 λόγω της ευπάθειάς του, κάτι που με την κατάλληλη εξέλιξη ίσως το δούμε κάποια στιγμή σ εφαρμογή στο εγγύς μέλλον. Ελατήρια Βαλβίδων Υπάρχουν δύο βασικές λειτουργίες των ελατηρίων (εικόνα Ε.14) των βαλβίδων: η πρώτη είναι ότι κλείνει η βαλβίδα στεγανά στην έδρα της και η δεύτερη είναι ότι παρέχεται η κατάλληλη προένταση (δύναμη) στη βαλβίδα, ώστε να μην ταλαντεύεται όταν ανοίγει. Το ελατήριο πρέπει να είναι ικανό ν αντέχει τις καταπονήσεις απ τις ταλαντώσεις, αλλά και τις θερμικές, απ τις υψηλές θερμοκρασίες του θαλάμου καύσεως. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 20

25 Εικόνα Ε.16 Ελατήρια βαλβίδων. Είναι εξίσου ουσιώδες στην κινηματική αλυσίδα της βαλβίδας όσο και τα υπόλοιπα εξαρτήματα. Στους σύγχρονους πολύστροφους αλλά και υψηλής απόδοσης κινητήρες το ελατήριο είναι ένας σημαντικός παράγοντας για το αποτέλεσμα αυτό. Είναι επιφορτισμένο ν ανοίγει και να κλείνει τις βαλβίδες 50 φορές το δευτερόλεπτο, όταν ο κινητήρας λειτουργεί στις 6000 στροφές. Μετά τη χρήση τους για ορισμένα χιλιόμετρα τα ελατήρια χάνουν την τάση τους, εξασθενίζουν, μαλακώνουν ή και σπάνε. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 21

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ 1.1 Γενικά Στα τέλη της δεκαετίας του '60 ο Giovanni Torazza επινοεί για τη Fiat ένα υδραυλικό σύστημα που μεταβάλει το χρονισμό και τη βύθιση των βαλβίδων. Το 1975 η GM παρουσιάζει ένα παρόμοιο σύστημα για τις βαλβίδες εισαγωγής, στις χαμηλές στροφές, με στόχο τη μείωση των εκπομπών ρύπων. Το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με μηχανικό VVT(Valve Variable Timing) σύστημα ήταν η Alfa Romeo Spider του 1980 με ψεκασμό SPICA. Για να φέρει την επανάσταση η Honda με το CBR400F του 1983 (εικόνα 1.1) και το περίφημο VTEC που αργότερα πέρασε στα CIVIC και CRX. Εικόνα 1.1 Κινητήρας Honda CBR400F του 1983 Το σύστημα αυτό επινοήθηκε, γιατί όσο αυξάνονται οι στροφές ενός κινητήρα τόσο η διάρκεια μεταξύ των χρόνων μικραίνει, με αποτέλεσμα να μπαίνει όλο και λιγότερο φρέσκος αέρας στους θαλάμους καύσης και να ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 22

27 ξεμένουν περισσότερα καυσαέρια. Μια λύση είναι το πρόωρο άνοιγμα των βαλβίδων εισαγωγής και το καθυστερημένο κλείσιμο των βαλβίδων εξαγωγής. Με άλλα λόγια: πώς μπορεί να επιτευχθεί καλύτερη απόδοση του κινητήρα όσο η βελόνα του στροφόμετρου «ανηφορίζει»; Μ επικαλύψεις των βαλβίδων (επικάλυψη ή overlap: όταν και οι δύο βαλβίδες εισαγωγής κι εξαγωγής μένουν ταυτόχρονα ανοιχτές, (εικόνα 1.2, ΑΒ).Στους παλιότερης τεχνολογίας κινητήρες οι μηχανικοί προσάρμοζαν την επικάλυψη ανάλογα με τις προδιαγραφές του οχήματος. Για παράδειγμα, σ ένα φορτηγάκι το overlap είναι μικρότερο για περισσότερη ροπή χαμηλά. Αντίθετα, σε μοντέλα υψηλών επιδόσεων έχουμε μεγαλύτερη επικάλυψη στις υψηλές στροφές με τίμημα τη ροπή στις χαμηλές. Εικόνα 1.2 Σπειροειδές διάγραμμα με overlap στη κορυφή του τόξου ΑΒ Ωστόσο, δεν μπορούν να υπάρξουν οι ίδιοι βαθμοί επικάλυψης στο ίδιο φάσμα στροφών, αφού π.χ. μπορεί να παρουσιαστεί εισροή καυσαερίων προς την πολλαπλή εισαγωγής ή διαφυγή μίγματος από τη βαλβίδα εξαγωγής. Εδώ, την κατάσταση μπαλώνουν τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού (Variable Valve Timing), που επιτρέπουν τη διαφοροποίηση των επικαλύψεων σε διαφορετικές στροφές λειτουργίας του κινητήρα, αυξάνοντας την ισχύ και βελτιώνοντας θεαματικά τη ροπή. Έτσι, το άνοιγμα και το κλείσιμο των ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 23

28 βαλβίδων μπορεί να μεταβάλλεται, καθώς και η μείωση ή η αύξηση της επικάλυψης. Ωστόσο, πώς επιτυγχάνεται ο μεταβλητός χρονισμός; Ο απλούστερος και φτηνότερος κατασκευαστικά τρόπος αφορά στη μεταβολή της φάσης (γωνίας) του εκκεντροφόρου εισαγωγής ως προς την εξαγωγή κατά μερικές δεκάδες μοίρες, με την προϋπόθεση ότι υπάρχουν δύο επικεφαλής εκκεντροφόροι, όπως συμβαίνει στα περισσότερα νέας τεχνολογίας οχήματα. Στο σύστημα VVΤL-i της Toyota μία σφήνα κλειδώνει το κοκοράκι που αφήνει τη βαλβίδα να βυθιστεί πιο πολύ στις υψηλές στροφές λειτουργίας. Το σκαλοπάτι ισχύος γίνεται άμεσα αντιληπτό από τον οδηγό στις σ.α.λ. ακόμη και από τον ήχο που βγάζει το μοτέρ της Celica με τους 190 ίππους. Ακόμη καλύτερο όμως φαίνεται να είναι το Valvematic της Toyota που προσφέρει αύξηση της ισχύος (έως 10%), μείωση της κατανάλωσης (5-10%) αλλά είναι πιο κόμπακτ και απλό δομικά από ό,τι τα Valvetronic και VVEL. Εικόνα 1.3 Valvematic της toyota Στο σύνολό του το Valvematic (εικόνα 1.3) απαρτίζεται από έναν πρόσθετο άξονα που βρίσκεται ανάμεσα στους εκκεντροφόρους εισαγωγής κι εξαγωγής, το μηχανισμό που υποβοηθά στη μεταβολή της βύθισης και βρίσκεται από τη μεριά του βολάν καθώς και το διπλό VVΤi που «καθαρίζει» κυρίως στις χαμηλές στροφές. Όπως φαίνεται, στην Toyota έχουν φτιάξει το αποδοτικότερο σύστημα μεταβλητού χρονισμού. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 24

29 1.2 Εξέλιξη των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού Από το 1983 κιόλας έκανε την εμφάνισή του το πρώτο σύστημα βαλβίδων μεταβλητού χρονισμού (εικόνα 1.4), στην προσπάθεια να λύσει το πρόβλημα της μείωσης της απόδοσης στις χαμηλές στροφές. Το σύστημα αυτό παρουσίασε η HONDA και το χρησιμοποίησε στις μοτοσικλέτες της που είχαν πολυβάλβιδους κινητήρες. Εικόνα 1.4 Πρώτο σύστημα βαλβίδων της Honda 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 μ έναν πείρο που τον κινούσε ένα υδραυλικό έμβολο. 'Όταν οι στροφές ανέβαιναν, αύξανε η πίεση στο υγρό του συστήματος και το έμβολο κινούσε τον πείρο που «κλείδωνε» μεταξύ τους τα δύο κοκοράκια. Μ αυτόν τον τρόπο στις χαμηλές στροφές ανοιγόκλειναν μόνο οι δύο από τις τέσσερις βαλβίδες (δηλ. μια ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 25

30 εισαγωγής και μια 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 δινόταν όμως οριστική λύση μιας και ο χρόνος επικάλυψης του ανοίγματος των βαλβίδων, έστω και των μισών, παρέμενε ο ίδιος. H τεχνολογία των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων, που άλλοτε βρίσκαμε μόνο σε πανίσχυρους αγωνιστικούς κινητήρες, είναι πλέον προσιτή ακόμα και για εφαρμογή σε απλούς κινητήρες καθημερινής χρήσης. H εξέλιξη των κινητήρων ευρείας χρήσης την τελευταία δεκαετία είναι κάτι παραπάνω από εντυπωσιακή. Ξεκινώντας από τους πολυβάλβιδους κινητήρες, η ειδική απόδοση (ιπποδύναμη ανά λίτρο) έφτασε σε πολύ υψηλά επίπεδα, με τη χρησιμοποίηση συστημάτων μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων Φιλοσοφία του συστήματος μεταβλητού χρονισμού (VVT) H HONDA χρησιμοποίησε πρώτη το σύστημα i-vtec (εικόνα 1.5), πετυχαίνοντας από έναν ατμοσφαιρικό κινητήρα απόδοση 100 ίππων/λίτρο που, ακόμα και σήμερα, παραμένει μια από τις κορυφαίες τιμές. H εξέλιξη της τεχνολογίας των υλικών και η ανάπτυξη της ηλεκτρονικής έχουν κάνει εφικτή τη χρήση τους, ακόμα και σε κινητήρες που δεν προορίζονται για αυτοκίνητα ειδικού χαρακτήρα. H ευρεία χρήση των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων (Variable Valve Timing) οφείλεται στο γεγονός πως, αν και πρόκειται για απλούς και πλέον φθηνούς μηχανισμούς, έχουν ιδιαίτερα θετικές επιδράσεις στην απόδοση του κινητήρα. H λειτουργία και ο ρόλος των συστημάτων μεταβλητού χρονισμού γίνεται άμεσα αντιληπτός, αν λάβουμε υπόψη τις μεταβολές στην «αναπνοή» του κινητήρα σ όλο το φάσμα στροφών. Για παράδειγμα, σε υψηλούς ρυθμούς περιστροφής, το χρονικό διάστημα, κατά το οποίο γίνεται εισαγωγή κι εξαγωγή του μίγματος καυσίμου και των καυσαερίων, μειώνεται. Σ αυτές τις συνθήκες λειτουργίας, η ταχύτητα του μίγματος καυσίμου και των καυσαερίων δεν είναι αρκετή για την ικανοποιητική πλήρωση κι εκκένωση, αντίστοιχα, του θαλάμου καύσης. Έτσι, το βέλτιστο, σ αυτήν την περίπτωση, είναι το πρόωρο άνοιγμα των βαλβίδων εισαγωγής και το αργότερο κλείσιμο ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 26

31 των βαλβίδων εξαγωγής. Mια τέτοια ρύθμιση στο χρονισμό των βαλβίδων βελτιώνει την απόδοση και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του κινητήρα στις ψηλές στροφές, όμως (επειδή για να διορθώθει κάτι συνήθως χαλάει κάτι άλλο), του χαλάει την ομαλή λειτουργία στις χαμηλές στροφές. Εικόνα 1.5 Κινητήρας i-vtec Ιδανική περίπτωση θα ήταν αν η υπερκάλυψη του χρονισμού των βαλβίδων (overlapping), δηλαδή το εύρος ανάμεσα στην περίοδο εισαγωγής και εξαγωγής, δεν ήταν σταθερό και δεδομένο, αλλά μεταβαλλόταν ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα. Αυτό ακριβώς είναι που καλούνται να επιτύχουν τα συστήματα VVT, ενεργώντας είτε αποκλειστικά στις βαλβίδες εισαγωγής είτε και σε αυτές της εξαγωγής. Στην ουσία, η μεταβολή του χρονισμού των βαλβίδων επιτυγχάνεται αλλάζοντας με κάποιο μηχανισμό τη φάση (γωνία) των εκκεντροφόρων. Για παράδειγμα, σε υψηλές στροφές, ο εκκεντροφόρος εισόδου θα περιστραφεί εκ των προτέρων κατά 30, έτσι ώστε να δώσει τη δυνατότητα πρόωρης εισαγωγής καυσίμου στους κυλίνδρους, και το αντίστροφο θα συμβεί στις χαμηλές στροφές. H κίνηση του εκκεντροφόρου ελέγχεται από το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου του κινητήρα και ενεργοποιείται συνήθως μέσω υδραυλικού κυκλώματος. Αξίζει να σημειωθεί πως, σε αυτό το συγκεκριμένο σύστημα, η αλλαγή της γωνίας του εκκεντροφόρου απλώς επιτρέπει το πρόωρο ή καθυστερημένο άνοιγμά τους, δεν μεταβάλλει όμως τη διάρκεια, κατά την οποία ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 27

32 οι βαλβίδες είναι ανοιχτές. Επίσης, τα απλά συστήματα VVT δεν έχουν επίδραση στη βύθιση των βαλβίδων, κάτι που είναι βέβαια δυνατόν με πιο σύνθετα συστήματα με επιπλέον μηχανισμούς (και αντίστοιχο κόστος κατασκευής). Στην πιο απλή μορφή τους, τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού έχουν μόνο δύο ή τρεις σταθερές προεπιλεγμένες γωνίες λειτουργίας. Tα πιο εξελιγμένα, όμως, έχουν τη δυνατότητα συνεχούς μεταβολής της γωνίας του εκκεντροφόρου, μεταξύ των 0 και της μέγιστης προβλεπόμενης τιμής, σε αναλογία με το ρυθμό περιστροφής, αλλά και τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. Όπως είναι προφανές, αυτό παρέχει πιο ακριβή χρονισμό των βαλβίδων σε όλο το εύρος στροφών και συντελεί στην ομοιόμορφη και γραμμική λειτουργία του κινητήρα Νέα δεδομένα στο μεταβλητό χρονισμό VVT-i της Toyota Ο «έξυπνος» μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων της Toyota ή κοινώς VVT-i (εικόνα 1.6) χρησιμοποιείται σχεδόν σ όλα τα μοντέλα της εταιρείας, από το μικροσκοπικό Yaris μέχρι τo Supra. H λέξη «έξυπνος» δίνει έμφαση στο εξελιγμένο πρόγραμμα διαχείρισης, που μεταβάλλει το χρονισμό των βαλβίδων ανάλογα με τις στροφές λειτουργίας του κινητήρα, συνυπολογίζοντας και άλλες παραμέτρους, όπως την επιτάχυνση ή την κλίση του οδοστρώματος. Όπως μπορούμε να δούμε στην (εικόνα 1.6), οι αισθητήρες καταγράφουν τις στροφές του κινητήρα και τη θέση του γκαζιού. Εικόνα 1.6 Κινητήρας VVT-i ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 28

33 Tα δεδομένα έρχονται στην κεντρική μονάδα ελέγχου (ECU) η οποία, με βάση την απαιτούμενη στιγμιαία απόδοση, καθορίζει το βέλτιστο χρονισμό των βαλβίδων και περιστρέφει υδραυλικά τον εκκεντροφόρο εισαγωγής για προπορεία ή καθυστέρηση του ανοίγματος των βαλβίδων. H υδραυλική πίεση που χρησιμοποιείται καθορίζεται από τη βαλβίδα ελέγχου λαδιού (OCV) που ελέγχεται από την κεντρική μονάδα ελέγχου του κινητήρα. Στο διάγραμμα 1.7 παρατηρούμε καμπύλες που περιγράφουν τη σχέση στροφών κινητηρα - θέσης γκαζιου, όπως παρακάτω: Σε πολύ χαμηλές στροφές (όταν, για παράδειγμα, ο κινητήρας δουλεύει στο ρελαντί) η πεταλούδα του γκαζιού είναι κλειστή λειτουργώντας σαν περιοριστής και δημιουργώντας υποπίεση στους αυλούς εισαγωγής. Σ αυτήν την κλίμακα στροφών (κάτω από τις σ.α.λ.), το πρόωρο άνοιγμα των βαλβίδων δεν είναι επιθυμητό γιατί, λόγω της υποπίεσης, μέρος των καυσαερίων βγαίνει από τις βαλβίδες εισαγωγής και αναμιγνύεται με το μίγμα καυσίμου-αέρα. Αυτό επηρεάζει την καύση κι έχει σαν αποτέλεσμα την αστάθεια του αριθμού στροφών, στις οποίες λειτουργεί ο κινητήρας στο ρελαντί. Σε αυτές τις στροφές, λοιπόν, το VVT-i καθυστερεί το άνοιγμα των βαλβίδων εισαγωγής. Εικόνα 1.7 Διάγραμμα στροφών κινητήρα-θέσης γκαζιού. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 29

34 Στη μεσαία κλίμακα στροφών, το φορτίο του κινητήρα δεν είναι μεγάλο και οι απαιτήσεις εστιάζονται, κυρίως, στην οικονομία καυσίμου και τα καθαρά καυσαέρια. Σ αυτήν την περίπτωση, το VVT-i δίνει μια προπορεία στο χρονισμό των βαλβίδων, προκαλώντας ανακύκλωση των καυσαερίων (Εxhaust Gas Recirculation), που αποτελεί μια συχνά εφαρμοζόμενη τεχνική για καλύτερη καύση στον κινητήρα και καθαρότερα καυσαέρια. Tο όφελος προκύπτει από το γεγονός πως μέρος του άκαυστου καυσίμου που περιέχουν τα καυσαέρια ανακυκλώνεται, μειώνοντας το ποσοστό υδρογονανθράκων που φτάνει εντέλει στο περιβάλλον. Επιπλέον, η μίξη ανενεργών αερίων στο μείγμα καυσίμου-αέρα έχει σαν αποτέλεσμα τη χαμηλότερη θερμοκρασία καύσης και, επομένως, τη μείωση των οξειδίων του αζώτου στα καυσαέρια. Όταν το φορτίο του κινητήρα είναι μεγάλο, όπως κατά τη διάρκεια πλήρους επιτάχυνσης ή ανάβασης σε δρόμο με μεγάλη κλίση, το ζητούμενο από τον κινητήρα είναι όσο το δυνατό μεγαλύτερη ποσότητα ισχύος και ροπής. Επομένως, είναι αναγκαίο ν αποφευχθούν οι απώλειες στην ποσότητα μίγματος καυσίμου-αέρα που θα εισαχθεί στον κύλινδρο. Έτσι, το VVT-i κανονίζει το πρόωρο άνοιγμα και, επομένως, το πρόωρο κλείσιμο των βαλβίδων εισαγωγής, πριν το έμβολο αρχίσει την άνοδο κατά τη φάση της συμπίεσης. Επιπλέον, σ αυτές τις συνθήκες λειτουργίας, η υποπίεση στους αυλούς εισαγωγής είναι πολύ μικρή και δεν υπάρχει μίξη του καυσίμου με τα καυσαέρια. Επομένως, ο κύλινδρος γεμίζει με καθαρό μίγμα καυσίμου-αέρα που είναι απαραίτητο για τέλεια καύση. Ωστόσο, το VVT-i, όντας ένα απλό στην κατασκευή και λειτουργία του σύστημα, λογικά παρουσιάζει και κάποια μειονεκτήματα. Για παράδειγμα, όπως αναφέραμε και προηγουμένως, η υπερκάλυψη του χρονισμού των βαλβίδων στις μεσαίες στροφές έχει θετικές επιδράσεις στην κατανάλωση και την έκλυση καθαρότερων καυσαερίων. Όμως, το φτωχότερο μείγμα με το οποίο λειτουργεί ο κινητήρας προκαλεί απώλειες ισχύος. Για το λόγο αυτόν, όλοι οι κινητήρες που είναι εφοδιασμένοι με το VVT-i έχουν αυλούς εξαγωγής μεταβλητού μήκους, οι οποίοι, δημιουργώντας φαινόμενο αναρρόφησης, διευκολύνουν την έξοδο των καυσαερίων και αποτρέπουν την ανάμιξή τους με το καύσιμο. ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 30

35 1.2.3 Δοκιμή του VVT-i Πολλές φορές, η έρευνα σε θεωρητικό επίπεδο μπορεί να οδηγεί σε ιδιαίτερα θετικά αποτελέσματα, που όμως δεν επιβεβαιώνονται στην πράξη. Mπορεί, για παράδειγμα, η λειτουργία κάποιας διάταξης ή μηχανισμού να προσφέρει καλύτερες τιμές απόδοσης, που όμως δεν συνοδεύονται από αντίστοιχη βελτίωση των χαρακτηριστικών λειτουργίας του. Τι νόημα έχει η επίτευξη μεγαλύτερης τιμής ροπής, εάν αυτή αποδίδεται σε πολύ υψηλές στροφές και σε πολύ μικρό φάσμα στροφών; Προκειμένου να επαληθεύτει η αποτελεσματικότητα του VVT-i και στην πράξη, ήρθε η CELICA αντιμέτωπη με το δυναμόμετρο. Tα αποτελέσματα, όπως μπορείτε να διαπιστώσετε και από την εικόνα 1.8, αποδεικνύουν πως το VVT-i συνεισφέρει ουσιαστικά στη βελτίωση των χαρακτηριστικών λειτουργίας του κινητήρα. Εικόνα 1.8 Διάγραμμα ισχύος Στο διάγραμμα ισχύος, μπορούμε να διακρίνουμε τη γραμμική αύξηση της ισχύος από τις χαμηλές στροφές μέχρι και τις σ.α.λ., όπου και αποδίδεται η μέγιστη τιμή της ιπποδύναμης, η οποία παραμένει σχεδόν αμετάβλητη μέχρι το όριο περιστροφής στις σ.α.λ. Αξίζει να σημειώσουμε πως η ισχύς που φτάνει στους τροχούς αγγίζει τους 130,7 ίππους και, ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 31

36 συνυπολογίζοντας τις απώλειες των 10,4 ίππων από το σύστημα μετάδοσης, βλέπουμε πως η απόδοση του κινητήρα στο στρόφαλο φτάνει τους 141,1 ίππους, επαληθεύοντας την τιμή των 144 ίππων της Tογιότα. Oι αριθμοί επαληθεύονται και στο διάγραμμα ροπής που φτάνει τη μέγιστη τιμή των 16,1 χιλιογραμμόμετρων στις σ.α.λ. Το σημαντικότερο, όμως, είναι πως η καμπύλη της ροπής είναι σχεδόν επίπεδη και κοντά στη μέγιστη τιμή από τις σ.α.λ. Στην πράξη, το δεδομένο είναι πως ο οδηγός έχει στη διάθεσή του έναν κινητήρα με ομοιόμορφη και χωρίς ξεσπάσματα απόκριση σ όλο το φάσμα στροφών, ακόμα και κοντά στο όριο περιστροφής του Ρύθμιση βύθισης και διάρκειας ανοίγματος των βαλβίδων στον μεταβλητό χρονισμό VVTL-I της Toyota H εξέλιξη του VVT-i. Το VVTL-I (εικόνα 1.9) θεωρείται ένα από τα πιο εξελιγμένα συστήματα μεταβλητού χρονισμού που υπάρχουν σήμερα. Εικόνα 1.9 Κινητήρας VVTL-i H λειτουργία του περιλαμβάνει συνεχόμενο μεταβλητό χρονισμό, μεταβλητή βύθιση σε δύο στάδια, μαζί με μεταβλητή διάρκεια βύθισης των βαλβίδων, ενώ επιπλέον είναι τοποθετημένο στους εκκεντροφόρους εισαγωγής κι εξαγωγής. Θα μπορούσε να θεωρηθεί συνδυασμός του υπάρχοντος VVT-i και του VTEC της Xόντα, παρ ότι ο μηχανισμός για τη βύθιση των βαλβίδων διαφέρει απ αυτόν της HONDA. Όπως και στο VVT-i, ο χρονισμός επιτυγχάνεται αλλάζοντας τη γωνία του εκκεντροφόρου μέσω υδραυλικού μηχανισμού. Το σημαντικότερο είναι όμως το ευρύ φάσμα μεταβολής της ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 32

37 φάσης του εκκεντροφόρου, που φτάνει τις 60 και το καθιστά ένα από τα πιο αποτελεσματικά συστήματα. Αυτό που κάνει τη διαφορά μεταξύ του VVTL-i και του VVT-i είναι το γράμμα L (Lift) για τη μεταβλητή βύθιση των βαλβίδων. Όπως και το VTEC της HONDA, το σύστημα της Τογιότα χρησιμοποιεί ένα μονό ζύγωθρο, για την κίνηση και των δύο βαλβίδων εισαγωγής (ή εξαγωγής). Eπίσης, ο εκκεντροφόρος σε κάθε θέση έχει δύο έκκεντρα με διαφορετική διατομή: ένα με μεγάλη διατομή για μεγαλύτερη διάρκεια και βύθιση βαλβίδων, που ενεργεί στις υψηλές στροφές και ένα με μικρή διατομή για τις χαμηλές στροφές. Στις χαμηλές στροφές, το «αργό» έκκεντρο θέτει σε κίνηση το ζύγωθρο, ενώ το μεγάλο έκκεντρο δεν έχει καμία επίδραση, καθώς υπάρχει κενό κάτω από το έμβολο στο οποίο ενεργεί. Όταν, όμως, οι στροφές του κινητήρα ξεπεράσουν ένα συγκεκριμένο όριο, ένας πίρος μετακινείται με υδραυλική πίεση και καλύπτει το κενό, ενεργοποιώντας το «γρήγορο» έκκεντρο που αυξάνει τη βύθιση, ενώ η μεγαλύτερη επιφάνεια του εμβόλου που ενεργεί αυξάνει τη διάρκεια. 1.3 Βοηθητικά συστήματα Μεταβλητού Χρονισμού Σύστημα Μεταβολής Valvelift Ένα από τα σημαντικότερα "κριτήρια" για την ποιότητα του RnD ενός κινητήρα είναι ο σχεδιασμός της κυλινδροκεφαλής του και μάλιστα των αυλών εισαγωγής / εξαγωγής και του valvetrain. Ειδικά η επιλογή του κατάλληλου προφίλ στα έκκεντρα εισαγωγής κι εξαγωγής, ώστε να ικανοποιούνται οι εκ διαμέτρου αντίθετες απαιτήσεις κατά τη λειτουργία του κινητήρα στις χαμηλές και τις υψηλές στροφές μοιάζει με πραγματικό Γόρδιο Δεσμό, τον οποίο καλούνται να λύσουν οι σχεδιαστές. Οι πρώτοι που επιχείρησαν να λύσουν αυτό το πρόβλημα ήταν οι Ιάπωνες της Honda με το (πασίγνωστο πλέον) VTEC. Το VTEC μέσω ενός μηχανισμού με διαιρούμενα ωστήρια επιτρέπει στον κινητήρα να χρησιμοποιεί έκκεντρα διαφορετικού προφίλ για τις χαμηλές/ μεσαίες και τις υψηλές στροφές. Έτσι, στις χαμηλές στροφές και τα μικρά φορτία έχουμε μικρό lift και διάρκεια ανοίγματος των βαλβίδων, επιλογή που επιταχύνει τον αέρα εισαγωγής (διευκολύνοντας έτσι την ανάμιξη με τα ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 33

38 σταγονίδια του καυσίμου) και μειώνει το overlap ανάμεσα στην εισαγωγή και την εξαγωγή, ελαττώνοντας τη "μόλυνση" του καύσιμου μίγματος από τα καυσαέρια του προηγούμενου κύκλου. Αντίθετα, στις υψηλές στροφές έχουμε μεγάλο lift των βαλβίδων (άρα μειωμένες αντιστάσεις στη ροή των αερίων εισαγωγής και εξαγωγής και αντίστοιχη μείωση των ροϊκών απωλειών) και μεγάλο overlap ανάμεσα στην εισαγωγή και την εξαγωγή. Στις υψηλές στροφές το μεγάλο overlap μας βοηθά να εκμεταλλευτούμε την ορμή των αερίων εξαγωγής προκειμένου να δημιουργήσουμε υποπίεση στο θάλαμο καύσης η οποία θα βοηθήσει στην εισαγωγή του καύσιμου μίγματος του επόμενου κύκλου. Εικόνα 1.10 Σύστημα λειτουργίας Valvelift Εκτός από το VTEC της Honda, άλλα αξιοσημείωτα παραδείγματα συστημάτων μεταβολής του lift και της διάρκειας ανοίγματος των βαλβίδων είναι το MIVEC της Mitsubishi (στην original έκδοσή του τουλάχιστον), το VVEL της Nissan και το VVTL-i της Toyota. Μέχρι πρότινος, οι ευρωπαίοι κατασκευαστές έδειχναν να σνομπάρουν παρόμοιες τεχνολογίες, αλλά οι ολοένα και αυστηρότερες απαιτήσεις σε ό,τι αφορά την κατανάλωση και τις εκπομπές καυσαερίων ανάγκασε αρκετούς να το ξανασκεφτούν. Η Audi έκοψε πρώτη το νήμα, παρουσιάζοντας το πρώτο "αμιγώς" ευρωπαϊκό σύστημα μεταβολής του lift και της διάρκειας ανοίγματος των βαλβίδων σε κινητήρα παραγωγής με την ονομασία Audi Valvelift System (AVS). Το σύστημα ντεμπουτάρισε στον κινητήρα του concept car Roadjet το 2006 ενώ πρώτος κινητήρας παραγωγής που το χρησιμοποίησε ήταν ο ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 34

39 εξακύλινδρος V6 FSI των 2,8lt με απόδοση 210Ps και ροπή 28,5kgm. Σύντομα ακολούθησε και ο μεγαλύτερος αδελφός του των 3,2lt ο οποίος αποδίδει 265Ps και ροπή 33,6kgm. Φέτος, ο γνωστός δίλιτρος TFSI του Q5 έγινε ο πρώτος υπερτροφοδοτούμενος κινητήρας που φόρεσε το Valvelift, ενώ το ίδιο μοτέρ αναμένεται να τοποθετηθεί και στο Α5. Αξίζει ν' αναφέρουμε ότι, ενώ στους δυο ατμοσφαιρικούς V6 το valvelift χρησιμοποιείται στις βαλβίδες εισαγωγής, στον τετρακύλινδρο TFSI χρησιμοποιείται στις βαλβίδες εξαγωγής. Ας δούμε όμως λίγο αναλυτικότερα τη λειτουργία του AVS (εικόνα 1.11) βασίζεται σε ειδικά σχεδιασμένα χιτώνια τα οποία έχουν ενσωματωμένα το "ήρεμο" (μικρή διάρκεια, μικρό lift) και το "άγριο" (μεγάλη διάρκεια, μεγάλο lift) έκκεντρο και είναι περασμένα στους εκκεντροφόρους. Υπάρχει ένα χιτώνιο για τις βαλβίδες κάθε κυλίνδρου και το κάθενα από αυτά έχει πάνω του από ένα άγριο και ένα ήρεμο έκκεντρο για κάθε βαλβίδα. Τα χιτώνια αυτά μπορούν να μετακινηθούν κατά μήκος του εκκεντροφόρου κατά 7mm και ένα ακόμη χαρακτηριστικό τους είναι ότι έχουν σπειροειδείς αυλακώσεις αντίθετης φοράς στα δυο τους άκρα. Εικόνα 1.11 Σύστημα της Audi Valvelift Το σύστημα λειτουργεί ως εξής: Στις χαμηλές στροφές και τα μικρά φορτία τα χιτώνια βρίσκονται σε τέτοια θέση, ώστε στα ωστήρια των βαλβίδων να επενεργούν τα ήρεμα έκκεντρα και να επιβάλλουν το δικό τους προφίλ κίνησης στις βαλβίδες. Εδώ πρέπει να σημειώσουμε ότι το lift του ήρεμου έκκεντρου της μια βαλβίδας εισαγωγής του κυλίνδρου διαφέρει απ αυτό της άλλης, καθώς μ αυτό τον τρόπο ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 35

40 επιτυγχάνεται καλύτερος στροβιλισμός του αέρα και βελτιώνεται η ανάμιξή του με τα σταγονίδια του καυσίμου. Για παράδειγμα, όταν ο V6 FSI των 2,8lt δουλεύει με τα ήρεμα έκκεντρα, η μια βαλβίδα εισαγωγής κάθε κυλίνδρου έχει lift 2mm, ενώ η άλλη 5,7mm. Όταν οι στροφές και το φορτίο του κινητήρα ανέβουν, η ECU δίνει εντολή εμπλοκής των άγριων έκκεντρων. Μέσα σε 100ms, ηλεκτρομαγνητικοί επενεργητές κατεβάζουν ατσάλινες ακίδες μέσα στις αυλακώσεις της μιας πλευράς των χιτωνίων. Οι ακίδες ακολουθούν το προφίλ της αυλάκωσης κι έτσι ολόκληρο το χιτώνιο μετατοπίζεται κατά 7mm ως προς τον εκκεντροφόρο. Μ αυτόν τον τρόπο τ άγρια έκκεντρα (με κοινό lift 11mm για όλες τις βαλβίδες) βρίσκονται πάνω από τα ωστήρια των βαλβίδων εισαγωγής και πλέον "επιβάλλουν" το δικό τους προφίλ στην κίνηση των βαλβίδων. Μόλις η εναλλαγή ολοκληρωθεί, οι ακίδες επιστρέφουν στις αρχικές τους θέσεις μέσω ελατηρίων. Όταν η ECU κρίνει ότι έχει έλθει η στιγμή να "γυρίσει" στα ήρεμα έκκεντρα δίνει αντίστοιχη εντολή και άλλοι επενεργητές κατεβάζουν ατσάλινες ακίδες μέσα στις σπειροειδείς αυλακώσεις της αντίθετης πλευράς των χιτωνίων, επαναφέροντας έτσι τα ήρεμα έκκεντρα στην αρχική τους θέση. Αναλόγως με τις στροφές του κινητήρα, τη γωνία προπορείας της ανάφλεξης και το άνοιγμα της πεταλούδας του γκαζιού η εναλλαγή ήρεμων/ άγριων έκκεντρων μπορεί να γίνει στο φάσμα rpm, ενώ για την ολοκλήρωση της διαδικασίας απαιτούνται δυο περιστροφές του στροφαλοφόρου. Η εναλλαγή έκκεντρων συνοδεύεται από στιγμιαία μείωση του αβανς και κλείσιμο της πεταλούδας γκαζιού, ώστε η μετάβαση από τη μια λειτουργία στην άλλη να μη συνοδεύεται από εξάρσεις ισχύος. Προφανώς, η Audi δεν θέλει τα μοτέρ της να μοιάζουν με τα VTEC. Ένα επιπλέον ενδιαφέρον χαρακτηριστικό του Valvelift είναι ότι επιτρέπει στις χαμηλές στροφών η ρύθμιση του φορτίου να γίνεται αποκλειστικά με τη ρύθμιση του lift των βαλβίδων και την αυξομείωση της ποσότητας του καυσίμου κρατώντας την πεταλούδα του γκαζιού πλήρως ανοικτή. Μ αυτόν τον τρόπο μειώνονται ακόμη περισσότερο οι ροϊκές απώλειες στην εισαγωγή, ευνοώντας τόσο τις επιδόσεις όσο και την οικονομία. Ένα από τα πλεονεκτήματα του AVS είναι η απλότητα του μηχανισμού του, καθώς δεν χρησιμοποιεί διαιρούμενα ωστήρια ή άλλες πολύπλοκες ΤΣΟΚΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ-ΛΑΣΚΑΡΑΤΟΣ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ Σελίδα 36