Proměnné časování rozvodu: Jak to celé funguje?

Variabilní rozvod je jednou z možných cest, jak zvýšit účinnost spalovacího motoru. U běžných agregátů s pevným rozvodem činí zhruba jen 33 procent. Zbytek energie se při jeho chodu zkrátka ztratí. Časování rozvodu obecně řídí celou činnost spalovacího agregátu, konkrétně výměnu plynů ve válci. Pokud je časování neměnné, lze výměnu směsi (plynů) optimálně přizpůsobovat pouze v určitém, v praxi relativně úzkém pracovním rozsahu motoru. Variabilní časování dává zcela jiné možnosti. V minulosti se zavádělo ve snaze zvýšit měrný (litrový) výkon pohonné jednotky a zároveň zlepšit pružnost motoru v co možná nejširším rozsahu otáček. Tedy vlastně splnit dva dost protichůdné požadavky. Obyčejně motor s vysokým měrným výkonem se vyznačuje tvrdou momentovou charakteristikou. Naopak velmi pružné motory sice dobře spolupracují už od nejnižších otáček, ovšem velké výkony ve špičce po nich chtít nelze.

V současné době je proměnné časování rozvodu jednou z cest, jak snížit spotřebu paliva a také emise. Díky němu lze uplatnit efekt takzvaného vnitřního EGR, kdy se ve fázi výfuku v režimu částečného zatížení dostává část spalin zpět do sání, čímž se snižuje teplota spalování a klesají emise oxidů dusíku. Díky proměnnému časování mohou současné motory pracovat také v takzvaném Atkinsonově cyklu, většinou v kombinaci s extrémně vysokým kompresním poměrem.

Níže se pokusíme nastínit rozdíly mezi vybranými systémy, které v současnosti i v nedávné minulosti automobilky nabízejí/nabízely.

Italské řešení na úvod – Zprvu Fiat, později Alfa Romeo

Myšlenka nabídnout proměnné časování rozvodu u spalovacího zážehového motoru se poprvé objevila v Itálii na sklonku 60. let. Stáli za ní dva inženýři Fiatu: Giovanni Torazza a Dante Giacosa. Svůj vynález si nechali patentovat, a to pod číslem US3641988. Jejich systém využíval až bizarně složitý rozvod s vahadly, jednoramennými pákami a excentry. V zásadě pracoval s více vahadly na každý ventil, kterým příslušela vždy určitá vačka – tedy trochu jako Honda VTEC. Aktivování vahadel bylo hydraulické. V praxi by se jednalo o dost složité řešení jak z pohledu výroby, tak i pozdější spolehlivosti a správnosti funkce celého systému. Ten už tehdy dokázal měnit časování sacího rozvodu a dokonce i zdvih ventilů v závislosti na zatížení motoru a jeho otáčkách.

Sériové řešení proměnného časování do výroby přinesli opět Italové, a to v roce 1986. Konkrétně Alfa Romeo jej nabídla na původním řetězovém dvoulitru. Oproti ranému typu z přelomu 60. a 70. let byl systém nepoměrně jednodušší, přičemž neuměl měnit zdvih ventilů. Využíval přesuvník, který byl součástí rozvodového kola sací vačkové hřídele. V něm uložený píst posouval axiálně objímku pohybující se po šroubovici proti vratné pružině, čímž vlastně docházelo k natáčení vačkového hřídele sání vůči výfukovému a zároveň i klikovému hřídeli. Tímto se otevřela cesta i pro další výrobce.

Honda VTEC – Mění časování i zdvih ventilů

Historicky druhým systémem proměnného časování rozvodu se stal známý Honda VTEC. Při své premiéře v roce 1989 se psal ještě s pomlčkou, tedy V-TEC. Jde o zkratku Variable valve Timing and lift Electronic Control. Vývoj prvního systému započal už v roce 1984, kdy Honda ustavila speciální skupinu konstruktérů, kteří se snažili vyvinout motor označení NCE (New Concept Engine). Smyslem bylo nabídnout téměř ideální parametry. Tedy vysoký výkon, solidní pružnost a k tomu nízkou spotřebu paliva a emise škodlivin.

Základem pro stavbu motoru NEC se stala tehdy nová generace agregátů řady B s objemem 1,6 litru a rozvodem DOHC. Výsledek Honda prezentovala v roce 1989 pod označení B16A. První verze měla výkon 110 kW, tedy 69 kW na litr objemu. Pozdější varianty poskytovaly dokonce 118 kW, jak jistě pamětníci vědí.

Základní myšlenkou každého VTEC je řešení, kdy jeden sací ventil ovládá nikoliv nezbytný jeden vačkový palec, nýbrž dva, lišící se profilem. K přepínání mezi nimi dochází hydraulickým zapojením příslušného ventilového vahadla do akce. Později vznikly odvozené systémy s cílem nabídnout hlavně hospodárnost provozu. Šlo o takzvaný SOHC VTEC, aplikovaný na motor s jedním vačkovým hřídelem a dále takzvaný New VTEC, který sací ventily ovládal ve třech stupních. Ještě později Honda nabídla VTEC-E. Ten pracoval podobně jako New VTEC, ovšem bez „ostré“ vačky a tedy jen dvoustupňově.

Současné motory Hondy, třeba série R (R18), známá z odcházejícího civicu, pracuje se systémem i-VTEC. Uplatněný je na motoru s rozvodem OHC a kombinuje výše uvedený New VTEC s VTEC-E. Navíc je ale v nabídce ještě i-VTEC pro výkonné motory se dvěma vačkovými hřídeli, který najdete třeba na předchozím Civicu Type R ještě s atmosférickým motorem K20.

BMW VANOS – Mění pouze časování rozvodu

Systém proměnného časování rozvodu nabízí od roku 1992 také BMW. Poprvé jej použili na šestiválci S50B30 tehdy nového kupé M3 E36, později také v civilním řadovém šestiválci M50 o objemu 2,0 a 2,5 litru.

VANOS (VAriable NOckenwelle-Steuerung) se technicky hodně podobá systému Alfy Romeo z roku 1986. Základem přesuvníku je i v tomto případě hydraulický axiální píst uvnitř řetězového rozvodového kola. Pohybuje se na šroubovici, čímž mění v radiálním směru polohu sacího vačkového hřídele. A zatímco původní řešení Alfy Romeo nabízelo jen dvoustupňovou změnu časování, řešení VANOS umožňuje píst zastavit v libovolné pozici a měnit tak časování plynule.

K tomu slouží dvoucestný ovládací elektromagnetický ventil, takzvaný OCV (Oil Control Valve). Jeden kanál přivádí olej na jednu stranu pístu, druhý na druhou stranu. Podle toho, kterým olej proudí, pohybuje se píst k „motoru, nebo od něj“. A časování jde do fáze předstihu, nebo zpoždění.

Vylepšením původního systému VANOS vznikl Double VANOS, který umožňuje měnit časování také na výfukové straně rozvodu. Princip je v zásadě stejný jako dříve, přičemž Double VANOS vyvíjelo BMW s firmou Siemens.

Toyota VVT-i – VANOS po japonsku

Od poloviny 90. let nabízí variabilní rozvod také Toyota. První motorem, který jej měl, byl řadový šestiválec 2JZ-GE na modelu Supra A80 pro japonský trh. Později pak civilní čtyřválce řady ZZ.

VVT-i (Variable Valve Timing – intelligence) umí podobně jako VANOS měnit plynule časování sací strany rozvodu. Zásadní rozdíl mezi oběma systémy je ale v provedení přesuvníku. Zatímco VANOS využívá axiální typ, u VVT-i najdete takzvaný lopatkový přesuvník – tedy vlastně radiální. Základem je v tomto případě lopatkový člen, který se natáčí ve válci, který je součástí rozvodového kola. Lopatky zde oddělují jednak komoru předstihu a také komoru zpoždění. Natáčení se děje tlakem motorového oleje jako u VANOS. Do jaké komory bude olej proudit, a tedy na jakou stranu se bude lopatkový člen natáčet, určuje výše uvedený dvoucestný ventil OCV. Písmenko „i“ neboli inteligence, má zdůraznit, že systém mění časování plynule, nikoliv skokově.

VVT-i tak mění pouze časování, nikoliv zdvih ventilů. K tomu Toyota vyvinula systém VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift intelligence), který však našel uplatnění pouze na jediném motoru, a to osmnáctistovce 2ZZ-GE. VVTL-i kromě toho, že měl lopatkový přesuvník na sací vačce, navíc využíval dvou rozdílných vačkových profilů k ovládání sacích ventilů. Tedy něco jako Honda VTEC. Více jsme o něm psali v bazarovém článku o Toyotě Celica.

MG/Rover VVC – V Anglii mají vždy něco extra

Zvláštní řešení systému proměnného časování představuje VVC (Variable Valve Control) od již zaniklé značky MG/Rover (MG sice existuje, ovšem s původním MG nemá mnoho společného). Systém využívá excentrický rotující disk k ovládání sacích ventilů vždy dvou válců.

Patentován a zároveň publikován byl systém již v roce 1973, kdy jej vynalezl jistý pan Mitchell. Poté však upadl v zapomnění. V roce 1989 si na něj vzpomněl Rover, který jej podrobil dalšímu vývoji a v roce 1993 vznikl motor 1.4 VVC z takzvané série K. Do sériové výrobě však ještě nějaký čas chyběl. Stalo se tak v roce 1996 v souvislosti s uvedením nového Roveru 200 a jeho výkonné verze Vi. A dále se motor s VVC dostal mezi lid díky roadsteru MGF ze stejné doby. VVC tak bylo nakonec v praxi použito pouze na jediném agregátu - největším ze čtyřválců série K, 1.8 VVC.

Jelikož systém ovládá vždy ventily dvou válců, je sací vačkový hřídel na motoru 1.8 VVC dělený na dvě části, navíc ještě dvoudílné. Je to z toho důvodu, že válec blíže rozvodovému kolu využívá palce vaček v podobě objímky, zatímco vzdálenější, tedy vlastně druhý a také třetí válec, má vačky usazené na vnitřní části vačkového hřídele. Čtvrtý válec to má stejně jako první, jen z druhé strany. K tomu rozvod potřebuje dva rozvodové řemeny. Delší a klasický je zepředu, který pohání dohromady výfukový vačkový hřídel a přední sací vačku, a druhý, kratší, umístěný z opačné strany motoru. Ten propojuje výfukový vačkový hřídel se zadním sacím vačkovým hřídelem.

Ke změně časování dochází natáčením excentrického disku prostřednictvím excentrického ovládacího hřídele. Řízen je z jednotky HCU, skládající se ze dvou solenoidů, vpouštějící tlak oleje na píst, který natáčí zmíněný excentrický ovládací hřídel.

Ač řešení MG/Roveru vypadalo slibně, v praxi se neujalo. Má totiž příliš mnoho pohyblivých částí. Přesto nelze říci, že by to celé bylo nespolehlivé. Minimálně je to však dost složité na výrobu a tudíž drahé. I to je jistě důvod, proč se toto řešení více nerozšířilo.

Dnes nabízejí rozvodové mechanismy plynule proměnný zdvih sacích ventilů. O nich a některých dalších konstrukcích proměnného časování rozvodu (např. původní řešení Porsche VarioCam, které používal také VW/Audi a dále BMW Valvetronic, Fiat MultiAir či Toyota Valvematic) si povíme něco příště.