Bezstopniowa regulacja wzniosów zaworów - co to jest i jak to działa?

Zaawansowanie samochodowych systemów napędu rozrządu można podzielić na kilka poziomów:

• Bez regulacji faz rozrządu (kątów otwierania zaworów) i wzniosów zaworów.
• Z regulacją faz rozrządu np. BMW Vanos, Toyota VVT-i, Porsche VarioCam. Systemy te uległy tak dużemu rozpowszechnieniu, że większość producentów nie stosuje ich specjalnego oznaczania (np. Skoda w 1.4 lub 1.8 TSI)
• Ze stopniową regulacją wzniosów i regulacją faz rozrządu np. Audi Valvelift, Honda i-VTEC, Porsche VarioCam Plus, Toyota VVTL-i.
• Z bezstopniową regulacją wzniosów i regulacją faz: BMW Valvetronic + Vanos, Fiat MultiAir, Nissan VVEL, Toyota Valvematic + VVT-i.

BMW było prekursorem tego typu systemów. Pomysł bawarskiego producenta opiera się wstawieniu, pomiędzy wałek rozrządu a dotychczas stosowane dźwigienki, dodatkowego elementu. Zmieniając punkt obrotu tego elementu można regulować przełożenie pomiędzy wałkiem krzywkowym a zaworami. Uzyskuje się w ten sposób regulację wzniosu od 0 do niemal 10 mm.

Wałek nastawiający punkt obrotu elementu dodatkowego jest wspólny dla całego rzędu cylindrów. Jego kąt obrotu ustawiany jest za pomocą silnika elektrycznego. Niestety nie jest to system bez wad. Valvetronic zajmuje dużo miejsca, podwyższając silnik. Na domiar złego BMW, poniekąd słusznie, gustuje w rzędowych szóstkach zamiast w niższych V6.

Kolejnym problemem jest masa i ilość elementów w takim systemie rozrządu. Nie nadaje się on do silników wysokoobrotowych i dlatego w M3 czy M5 znajdziemy tylko system zmiennych faz rozrządu Vanos. Tymczasem Valvetronic trafił do silnika 3.0 N55 z turbosprężarką twin-scroll, bezpośrednim wtryskiem benzyny i maksymalnym momentem obrotowym osiąganym już przy 1200 obr./min. Poprzednik, N54 wyposażony w dwie turbosprężarki, ale pozbawiony Valvetronic, był wielokrotnie honorowany w plebiscycie Engine of The Year.

Najbardziej skomplikowany układ w naszym zestawieniu. Sama idea działania i możliwości są identyczne jak w systemie BMW.

Niestety rozwiązanie konstrukcyjne Nissana trudno uznać za optymalne, posiada ono wiele elementów i połączeń, w których występuje tarcie. Obecnie, zapewne ze względu na koszty, możemy go spotkać tylko w najdroższych modelach jak Infiniti G37 Coupe czy FX50.

W porównaniu do BMW i Nissana, pomysł Toyoty należy pochwalić za prostotę. Dźwigienki pogrupowane są trójkami - dwie napędzające zawory i jedna napędzana od wałka rozrządu. Dzięki temu, że znajdują się one na wspólnej tulei ruch obrotowy może być przenoszony z centralnej dźwigienki na zewnętrzne (napędzające zawory).

Sztuczka polega na tym, że połączenie pomiędzy dźwigienkami a tuleją odbywa się za pomocą wielowypustu o skośnie ustawionych wypustach. Wypusty te dla dźwigienek zewnętrznych są skręcone w przeciwną stronę niż dla centralnej. Przesuwając tuleję zmienia się położenie kątowe dźwigienek względem siebie. Valvematic można spotkać już w silnikach o pojemnościach od 1,6 litra.

Elektrohydrauliczny MultiAir to zdecydowanie najciekawsze rozwiązanie z dzisiaj omawianych. Stosowany jest nawet w małych silnikach, jak np. 2-cylindrowy 0.9 TwinAir. Zacznijmy od tego, że w układach BMW, Nissana i Toyoty zachodzi konieczność stosowania dwóch systemów - jednego do regulacji wzniosów zaworów, drugiego (w postaci wariatora na końcu wałka rozrządu) do regulacji kątów ich otwarcia.

Pomysł Fiata rozwiązuje jednocześnie oba problemy. Obwód hydrauliczny składa się zaledwie z kilku głównych elementów - tłoczków wciskanych przez krzywki wałka rozrządu, elektrozaworów upuszczających olej i tłoczków wciskających zawory.

Zasada działania:

• EIVC (Early Intake Valve Closing) - Wczesne Zamykanie Zaworu Dolotowego. Elektrozawór jest początkowo zamknięty co powoduje normalne otwieranie zaworu dolotowego. Następnie olej zostaje upuszczony i zawór doloty przedwczesnemu zamknięciu.
• LIVO (Late Intake Valve Opening) - Późne Otwieranie Zaworu Dolotowego. Początkowo elektrozawór upuszcza olej, więc zawór dolotowy nie jest otwierany. Późniejsze zamknięcie elektrozaworu powoduje niższy wznios zaworu dolotowego, a także krótszy czas jego otwarcia.
• Multilift to połączenie EIVC i LIVO.

Po pierwsze pozwalają one na usunięcie przepustnicy, zmiany napełnienia można dokonywać regulując czasoprzekrój rozrządu. Takie rozwiązanie poprawia też tzw. "reakcję na gaz". Po wciśnięciu pedału przyspieszenia silnik nie musi czekać aż większa ilość powietrza dopłynie od przepustnicy do cylindra.

Oprócz tego, przy niskich obciążeniach, obniżamy moc pobieraną przez układ rozrządu - wtedy sprężyny zaworów ściskane są tylko częściowo. Wtedy także mały wznios zaworów ma pozytywny wpływ na skuteczność mieszania się paliwa z powietrzem - prędkość powietrza wpływającego przez małą szczelinę jest znacznie wyższa.

Wiadomo też, że dbałość o środowisko naturalne kłóci się nieco z dążeniem do uzyskania jak największej mocy silnika. Zależnie od potrzeby, jednostka wyposażona w taki system, może pracować z małymi czasoprzekrojami i bez przekrycia zaworów (wtedy dbamy o środowisko) lub z dużymi czasoprzekrojami (wtedy możemy osiągnąć wysoką moc).

Następnym stopniem wtajemniczenia są układy o całkowicie dowolnym sterowaniu ruchem zaworu - hydraulicznym (stosowanym już w silnikach okrętowych), elektromagnetycznym lub pneumatycznym. Tego ostatniego nie należy mylić ze sprężynami gazowymi wykorzystywanymi w Formule 1 - tam sterowanie dalej realizują tradycyjne krzywki.