Proměnné časování rozvodu II: Jak nahradit škrticí klapku?

Zážehový spalovací motor reguluje výkon škrcením vzduchu přiváděného do motoru. Za tímto účelem se používá škrticí klapka. Je spolehlivá a výkon dokáže měnit plynule. Při stále rostoucích požadavcích na výkon a zejména čistotu emisí má ovšem citelné nedostatky. Vlastně můžeme říci, že efektivně pracuje pouze v případě, že je zcela otevřená nebo zcela zavřená. Jakákoliv mezipoloha totiž způsobuje motoru takzvané čerpací ztráty. Prostě písty by větší množství vzduchu i nasály, ale nemůžou z důvodu přivřené klapky.

Jiným nešvarem, který se pojí s regulací výkonu motoru klapkou, je změna skupenství za ní po jejím rychlém zavření. V takovém případě vzniká v oblasti za tělesem klapky rosný bod, kdy se nepřímo vstřikovaný benzín vysráží na stěnách sacího potrubí. Tím dochází k růstu emisí, což je dnes nežádoucí. Právě tato vlastnost má za následek, proč současné motory s nepřímým vstřikováním benzínu a škrticí klapkou mnohdy tak pomalu padají z otáček po přeřazení na vyšší převodový stupeň. Jejich škrticí klapka se totiž musí zavírat pomalu, aby se zamezilo výše zmíněnému vysrážení kapiček benzínu na stěnách sání.

Řešení jsou dvě

Popsaný rébus lze v zásadě účinně řešit dvěma způsoby - prvním je použití přímého vstřikování benzínu. Tato technologie v současnosti nachází uplatnění zejména ve spojení s přeplňováním, přičemž má svá negativa v podobě hromadění karbonových úsad na sacích ventilech. U nepřímého vstřikování je totiž proud benzínu soustavně čistí. U přímého vstřikování nic takového možné není. To je jeden z důvodů, proč se u dražších motorů, třeba Audi EA888 třetí generace, v současnosti uplatňuje přímý i nepřímý vstřik.

Druhou možností je výkon regulovat přímo na vstupu do spalovacího prostoru, k čemuž se používá technologie umožňující měnit plynule zdvih sacích ventilů. Jako první ji pod označením Valvetronic zavedlo BMW v roce 2001. Později jej použilo také PSA na motorech řady EP a dále kupříkladu Toyota (Valvematic) či Fiat (MultiAir). Nejnověji se jí může pochlubit skupina Jaguar/Land Rover na nových zážehových čtyřválcích Ingenium. Systémy plynule proměnného zdvihu ventilů tak vlastně nejsou proměnným časování rozvodu v pravém slova smyslu. Jejich úloha je totiž, jak je zřejmé z textu, docela jiná.

Valvetronic – BMW v roli pionýra

Systém Valvetronic plynule mění zdvih sacích ventilů od 0,3 do 9,7 mm a na motoru vlastně doplňuje plynule proměnné časování ventilů VANOS, o němž jsme psali minule. Pracuje s obvyklým vačkovým hřídelem, který tady ovšem neovládá sací ventily přímo či přes rozšířená vahadla, nýbrž skrz vloženou páku, osazenou pro snížení opotřebení vačkových palců rolnou. Z jedné strany tlačí páka na ventilové vahadlo, z druhé je připevněna k excentricky uloženému hřídeli, osazeném ozubeným věncem. Do něj je zasazen pastorek krokového elektromotoru – akčního členu. Jeho otáčením se mění poloha vložené páky, která se tak vlastně pohybuje proti ovládací vačce sacího vačkového hřídele. Tím zároveň dochází k posouvání páky na ventilovém vahadlu a tedy ke změně zdvihu.

Valvetronic pracuje s poměrně velkým množstvím pohyblivých částí. Použitím rolen je eliminováno opotřebení rozvodového mechanismu a zajištěna jeho funkčnost i s přibývajícím množstvím kilometrů. Pokud už něco selže, zpravidla to bývá ovládací akční člen. Pro tyto případy je motor osazen klasickou škrticí klapkou. Ta pokud Valvetronic pracuje normálně, je plně otevřena, čímž neovlivňuje čerpací funkci motoru. V případě, že Valvetronic selže, řídicí jednotka motoru ji aktivuje, čímž umožní řidiči dojet s vozem do servisu v takzvaném záložním jízdním režimu se sníženým výkonem.

Toyota Valvematic – Valvetronic „po japonsku“

Japonská obdoba Valvetronicu od Toyoty se poprvé objevila v létě 2007 na od roku 2006 vyráběných čtyřválcových motorech řady ZR. Smysl Valvematicu je v zásadě stejný jako u Valvetronicu, ovšem princip ovládání ventilů je odlišný. I Valvematic pracuje v součinnosti s proměnným časováním rozvodu, v tomto případě VVT-i.

Valvematic podobně jako Valvetronic využívá běžná vahadla s hydraulickým vymezováním ventilové vůle. Tím ovšem veškerá podobnost končí. Základem systému je akční člen Valvematicu. Skládá se z řídicí jednotky a třífázového elektromotoru. Ten natáčí ovládací tyč přes takzvaný převodníkový mechanismus. Je tvořený planetovým převodem, přičemž elektromotor přímo natáčí skříň s kolem s vnitřním ozubením. Současně s ním rotují satelity (je jich celkem deset). Vlivem toho dochází k axiálnímu posouvání centrálního kola planetového převodu, čímž se mění zdvih ventilů. Samotné ovládání ventilů je přes takzvané oscilační vahadlo, které může měnit svoji polohu stranově. Opět je osazené rolnou pro snížení opotřebení ventilového mechanismu. Oscilační vahadlo přímo tlačí na ventilové vahadlo.

Valvematic obecně se v porovnání s Valvetronicem zdá docela složitý. V praxi však funguje stejně dobře a i s léty spolehlivě.

Fiat MultiAir – ventily ovládá elektrohydraulicky

Fiat MultiAir na rozdíl od Valvetronicu či Valvematicu pracuje navíc s hydraulikou. Na jeho vývoji Fiat pracoval už od poloviny 90. let, a to s firmou INA, patřící do konsorcia Schalffler. Nicméně uplatnění v sériové výrobě se systém dočkal až v roce 2009 v malé Alfě Romeo MiTo.

MultiAir se původně označoval UNIAIR. Na rozdíl od Valvetronicu či Valvematicu si jím osazený motor vystačí pouze s jedním vačkovým hřídelem (tedy s rozvodem OHC). Ten přímo ovládá výfukové ventily konvenčním způsobem. Zároveň však skrz svisle umístěné vahadlo opět osazené rolnou stlačuje olej dodávaný ze speciálního zásobníku, a to jednopístovým čerpadlem. Tlak oleje pak přímo ovládá sací ventily a to přes upravené hydraulické zdvihátko, které zároveň vymezuje ventilovou vůli.

Míra tlaku, respektive množství oleje, přiváděného do zdvihátka ventilu, závisí na poloze elektromagnetického ovládacího ventilu. Se změnou tlaku jakož i množství oleje se mění zdvih sacích ventilů a zároveň i časování rozvodu. MultiAir je tak asi nejdokonalejším rozvodovým mechanismem. Zároveň však veskrze jednoduchým, neboť v porovnání s Valvetronicem a zejména Valvematicem obsahuje méně pohyblivých částí.

Je to právě plně variabilní časování a zdvih, které stojí za slibnými parametry takto vybaveného motoru. Fiat v době premiéry uváděl, že MultiAir dokáže zvýšit výkon o 10 procent při současném zvýšení maxima točivého momentu až o 15 procent při nižších otáčkách. Spotřeba paliva je pak nižší až o 10 procent. Obdobu systému MultiAir dnes nabízí také nový motor Jaguar/Land Rover Ingenium.

Nissan VVEL – vylepšení parametrů motoru ve třech rovinách

Systém plynule proměnného zdvihu sacích ventilů nabízí od roku 2007 také Nissan, respektive Infiniti. Prvním motorem, kde se objevil, byl šestiválec VQ37VHR v Infiniti G37 Coupe, v Japonsku pojmenovaném Skyline Coupe.

Podle Nissanu systém spojuje tři hlavní myšlenky. Dosažení co nejnižších emisí, vysoké účinnosti a zároveň i radosti z jízdy. VVEL (Variable Valve Event and Lift) je kombinován s plynule proměnným časováním sací strany rozvodu C-VTC (Continously Variable Timing Control). Na systému VVEL pracoval Nissan s firmou Hitachi.

Akčním nebo chcete-li ovládacím členem VVEL, je i tady krokový elektromotor. Otáčí hřídelem s vnějším závitem, po němž se axiálně pohybuje (odvaluje) objímka v podobě široké matice. S ní je spojen přes páku ovládací hřídel, jehož součástí je vahadlo s excentrickou vačkou. Pod ovládacím hřídelem se nachází hnací hřídel, který přímo ovládá ventily. Je to vlastně hodně upravený sací vačkový hřídel, poháněný normálně od klikového hřídele rozvodovým řetězem. Vahadlo s excentrickou (výstupní) vačkou je dále spojeno s oscilující vačkou a zároveň na opačné straně s excentrickou (vstupní) vačkou – jinou, než je ta na ovládacím hřídeli. Oscilující vačka přímo ovládá ventily a to přes hrníčková zdvihátka. Při natáčení ovládacího hřídele dochází současně ke změně polohy obou vaček – oscilující a excentrické, čímž se mění zdvih ventilů.