Fasatura variabile delle valvole - Variable valve timing
Nei motori a combustione interna , la fasatura variabile delle valvole ( VVT ) è il processo di alterazione della fasatura di un evento di sollevamento delle valvole e viene spesso utilizzata per migliorare le prestazioni, il risparmio di carburante o le emissioni. Viene sempre più utilizzato in combinazione con sistemi di alzata variabile delle valvole . Ci sono molti modi in cui questo può essere ottenuto, che vanno dai dispositivi meccanici ai sistemi elettroidraulici e senza camme . Le normative sempre più severe sulle emissioni stanno inducendo molti produttori automobilistici a utilizzare i sistemi VVT.
I motori a due tempi utilizzano un sistema di valvole di potenza per ottenere risultati simili a VVT.
Teoria di fondo
Le valvole all'interno di un motore a combustione interna vengono utilizzate per controllare il flusso dei gas di aspirazione e di scarico in entrata e in uscita dalla camera di combustione . La tempistica, la durata e l'alzata di questi eventi valvola hanno un impatto significativo sulle prestazioni del motore . Senza la fasatura variabile delle valvole o l' alzata variabile delle valvole , la fasatura delle valvole è la stessa per tutti i regimi e le condizioni del motore, pertanto sono necessari dei compromessi. Un motore dotato di un sistema di attuazione della fasatura variabile delle valvole viene liberato da questo vincolo, consentendo di migliorare le prestazioni nell'intervallo di funzionamento del motore.
I motori a pistoni normalmente utilizzano valvole azionate da alberi a camme . Le camme aprono ( solleva ) le valvole per un certo tempo ( durata ) durante ogni ciclo di aspirazione e scarico. La tempistica dell'apertura e della chiusura della valvola, rispetto alla posizione dell'albero motore, è importante. L'albero a camme è azionato dall'albero motore tramite cinghie dentate , ingranaggi o catene .
Un motore richiede grandi quantità di aria quando funziona a velocità elevate. Tuttavia, le valvole di aspirazione potrebbero chiudersi prima che sia entrata aria sufficiente in ciascuna camera di combustione, riducendo le prestazioni. Se invece l'albero a camme mantiene aperte le valvole per periodi di tempo più lunghi, come con una camma da corsa, i problemi iniziano a manifestarsi ai bassi regimi del motore. L'apertura della valvola di aspirazione mentre la valvola di scarico è ancora aperta può causare l'uscita di carburante incombusto dal motore, con conseguente riduzione delle prestazioni del motore e aumento delle emissioni. Secondo il libro "Building Horsepower" dell'ingegnere David Vizard, quando sia l'aspirazione che lo scarico sono aperti contemporaneamente, lo scarico a pressione molto più alta spinge indietro la carica di aspirazione, fuori dal cilindro, inquinando il collettore di aspirazione con lo scarico, nei casi peggiori .
Continuo contro discreto
I primi sistemi di fasatura variabile delle valvole utilizzavano una regolazione discreta (a gradini). Ad esempio, una temporizzazione verrebbe utilizzata al di sotto dei 3500 giri/min e un'altra al di sopra dei 3500 giri/min.
I sistemi più avanzati di "fasatura variabile continua" offrono una regolazione continua (infinita) della fasatura delle valvole. Pertanto, i tempi possono essere ottimizzati per adattarsi a tutte le velocità e condizioni del motore.
Fasatura della camma rispetto alla durata variabile
La forma più semplice di VVT è la fasatura a camme , per cui l'angolo di fase dell'albero a camme viene ruotato in avanti o indietro rispetto all'albero motore. Così le valvole si aprono e si chiudono prima o dopo; tuttavia, il sollevamento e la durata dell'albero a camme non possono essere modificati esclusivamente con un sistema di fasatura a camme.
Raggiungere una durata variabile su un sistema complesso VVT, come più profili di camma
Effetto tipico delle regolazioni dei tempi
Chiusura ritardata della valvola di aspirazione (LIVC) La prima variazione della fasatura variabile continua delle valvole prevede di tenere aperta la valvola di aspirazione leggermente più a lungo di un motore tradizionale. Ciò fa sì che il pistone spinga effettivamente l'aria fuori dal cilindro e indietro nel collettore di aspirazione durante la corsa di compressione. L'aria che viene espulsa riempie il collettore con una pressione maggiore, e nelle successive corse di aspirazione l'aria che viene aspirata ha una pressione maggiore. È stato dimostrato che la chiusura ritardata della valvola di aspirazione riduce le perdite di pompaggio del 40% in condizioni di carico parziale e riduce le emissioni di ossido nitrico ( NOx ) del 24%. La coppia massima del motore ha mostrato un calo solo dell'1% e le emissioni di idrocarburi sono rimaste invariate.
Chiusura anticipata della valvola di aspirazione (EIVC) Un altro modo per ridurre le perdite di pompaggio associate a bassi regimi del motore e condizioni di alto vuoto consiste nel chiudere la valvola di aspirazione prima del normale. Ciò comporta la chiusura della valvola di aspirazione a metà della corsa di aspirazione. Le richieste di aria/carburante sono così basse in condizioni di basso carico e il lavoro richiesto per riempire il cilindro è relativamente alto, quindi la chiusura anticipata della valvola di aspirazione riduce notevolmente le perdite di pompaggio. Gli studi hanno dimostrato che la chiusura anticipata della valvola di aspirazione riduce le perdite di pompaggio del 40% e aumenta il risparmio di carburante del 7%. Ha inoltre ridotto le emissioni di ossido nitrico del 24% in condizioni di carico parziale. Un possibile svantaggio della chiusura anticipata della valvola di aspirazione è che abbassa significativamente la temperatura della camera di combustione, che può aumentare le emissioni di idrocarburi.
Apertura anticipata della valvola di aspirazione L' apertura anticipata della valvola di aspirazione è un'altra variante che ha un potenziale significativo per ridurre le emissioni. In un motore tradizionale, viene utilizzato un processo chiamato sovrapposizione delle valvole per aiutare a controllare la temperatura del cilindro. Aprendo anticipatamente la valvola di aspirazione, parte del gas di scarico inerte/combusto rifluirà dal cilindro, attraverso la valvola di aspirazione, dove si raffredda momentaneamente nel collettore di aspirazione. Questo gas inerte riempie quindi il cilindro nella successiva corsa di aspirazione, il che aiuta a controllare la temperatura del cilindro e le emissioni di ossido nitrico. Migliora anche l'efficienza volumetrica, perché c'è meno gas di scarico da espellere durante la corsa di scarico.
Chiusura anticipata/tardiva della valvola di scarico La fasatura di chiusura anticipata e ritardata della valvola di scarico può essere manipolata per ridurre le emissioni. Tradizionalmente, la valvola di scarico si apre e il gas di scarico viene spinto fuori dal cilindro e nel collettore di scarico dal pistone mentre viaggia verso l'alto. Manipolando la fasatura della valvola di scarico, gli ingegneri possono controllare la quantità di gas di scarico rimasta nel cilindro. Tenendo aperta la valvola di scarico un po' più a lungo, il cilindro si svuota di più ed è pronto per essere riempito con una maggiore carica aria/carburante in fase di aspirazione. Chiudendo leggermente la valvola in anticipo, nel cilindro rimane più gas di scarico che aumenta l'efficienza del carburante. Ciò consente un funzionamento più efficiente in tutte le condizioni.
Sfide
Il principale fattore che impedisce a questa tecnologia di essere ampiamente utilizzata nelle automobili di produzione è la capacità di produrre un mezzo economico per controllare la fasatura delle valvole nelle condizioni interne di un motore. Un motore che funziona a 3000 giri al minuto ruoterà l' albero a camme 25 volte al secondo, quindi gli eventi di fasatura delle valvole devono verificarsi in momenti precisi per offrire vantaggi in termini di prestazioni. Elettromagnetici e pneumatici senza camme attuatori offrono il massimo controllo della fasatura precisa, ma, nel 2016, non sono convenienti per veicoli di produzione.
Storia
Motori a vapore
La storia della ricerca di un metodo di durata dell'apertura variabile delle valvole risale all'epoca dei motori a vapore, quando la durata dell'apertura della valvola era indicata come " interruzione del vapore ". Il meccanismo della valvola Stephenson , utilizzato sulle prime locomotive a vapore, supportava interruzione variabile , cioè variazioni dell'istante in cui viene interrotta l'immissione di vapore ai cilindri durante la corsa di potenza.
I primi approcci al cutoff variabile hanno accoppiato variazioni nel cutoff di ammissione con variazioni nel cutoff di scarico. L'ammissione e il taglio dello scarico sono stati disaccoppiati con lo sviluppo della valvola Corliss . Questi trovavano largo impiego nei motori stazionari a carico variabile a velocità costante, con intercettazione di ammissione, e quindi di coppia, comandati meccanicamente da un regolatore centrifugo e da valvole di sgancio .
Quando sono entrate in uso le valvole a fungo, è entrato in uso un ingranaggio della valvola semplificato che utilizza un albero a camme . Con tali motori, il taglio variabile potrebbe essere ottenuto con camme a profilo variabile che sono state spostate lungo l'albero a camme dal regolatore. Le auto a vapore Serpollet producevano vapore ad alta pressione molto caldo, che richiedeva valvole a fungo, e queste utilizzavano un meccanismo brevettato dell'albero a camme scorrevole, che non solo variava l'interruzione della valvola di aspirazione, ma consentiva l'inversione del motore.
Aerei
Un primo Clerget V-8 sperimentale da 200 CV degli anni '10 utilizzava un albero a camme scorrevole per modificare la fasatura delle valvole. Alcune versioni del motore radiale Bristol Jupiter dei primi anni '20 incorporavano ingranaggi di fasatura variabile delle valvole, principalmente per variare la fasatura della valvola di aspirazione in relazione a rapporti di compressione più elevati. Il motore Lycoming R-7755 aveva un sistema di fasatura variabile delle valvole costituito da due camme che possono essere selezionate dal pilota. Uno per il decollo, l'inseguimento e la fuga, l'altro per la crociera economica.
Settore automobilistico
L'opportunità di poter variare la durata dell'apertura della valvola in modo che corrisponda alla velocità di rotazione di un motore divenne evidente per la prima volta negli anni '20, quando i limiti di giri massimi consentiti iniziavano generalmente a salire. Fino a quel momento il regime minimo di un motore e il suo regime di funzionamento erano molto simili, il che significa che non c'era bisogno di una durata variabile della valvola. Il primo utilizzo della fasatura variabile delle valvole fu sulla Cadillac Runabout e Tonneau del 1903 creato da Alanson Partridge Brush Patent 767.794 "INLET VALVE GEAR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES" depositato il 3 agosto 1903 e concesso il 16 agosto 1904. Qualche tempo prima del 1919 Lawrence Pomeroy, capo progettista di Vauxhall, aveva progettato un motore da 4,4 L per un sostituto proposto per il modello 30-98 esistente da chiamare H-Type. In questo motore il singolo albero a camme in testa doveva muoversi longitudinalmente per consentire l'innesto di diversi lobi dell'albero a camme. Fu negli anni '20 che iniziarono ad apparire i primi brevetti per l'apertura della valvola a durata variabile – ad esempio il brevetto statunitense US Patent 1.527.456 .
Nel 1958 Porsche fece domanda per un brevetto tedesco, richiesto e pubblicato anche come brevetto britannico GB861369 nel 1959. Il brevetto Porsche utilizzava una camma oscillante per aumentare l'alzata e la durata della valvola. La camma desmodromica azionata tramite un'asta push/pull da un albero eccentrico o piatto oscillante . Non è noto se sia mai stato realizzato un prototipo funzionante.
Fiat è stata la prima casa automobilistica a brevettare un sistema di fasatura variabile delle valvole per autoveicoli funzionale che includeva l'alzata variabile. Sviluppato da Giovanni Torazza alla fine degli anni '60, il sistema utilizzava la pressione idraulica per variare il fulcro dei seguicamma (brevetto US 3.641.988). La pressione idraulica variava in base al regime del motore e alla pressione di aspirazione. La variazione di apertura tipica è stata del 37%.
Alfa Romeo è stato il primo produttore ad utilizzare un sistema di fasatura variabile delle valvole nelle auto di serie (brevetto USA 4.231.330). I modelli a iniezione dell'Alfa Romeo Spider 2000 del 1980 avevano un sistema VVT meccanico. Il sistema è stato progettato dall'Ing Giampaolo Garcea negli anni '70. Tutti i modelli Alfa Romeo Spider dal 1983 in poi utilizzavano il VVT elettronico.
Nel 1989, Honda ha rilasciato il sistema VTEC . Mentre la precedente Nissan NVCS modifica la fasatura dell'albero a camme, il VTEC passa a un profilo della camma separato ad alti regimi del motore per migliorare la potenza di picco. Il primo motore VTEC prodotto da Honda è stato il B16A che è stato installato su Integra , CRX e Civic hatchback disponibili in Giappone e in Europa.
Nel 1992, Porsche ha introdotto per la prima volta VarioCam , che è stato il primo sistema a fornire una regolazione continua (tutti i sistemi precedenti utilizzavano la regolazione discreta). Il sistema è stato rilasciato nella Porsche 968 e funzionava solo sulle valvole di aspirazione.
Motociclette
La fasatura variabile delle valvole è stata applicata ai motori delle motociclette, ma era considerata un "fiore all'occhiello tecnologico" non utile fino al 2004 a causa della penalizzazione del peso del sistema. Da allora, le motociclette tra cui VVT hanno incluso la Kawasaki 1400GTR/Concours 14 (2007), la Ducati Multistrada 1200 (2015), la BMW R1250GS (2019) e la Yamaha YZF-R15 V3.0 (2017), la Suzuki GSX-R1000R 2017 L7.
Marino
La fasatura variabile delle valvole ha iniziato a ricadere sui motori marini. Il motore marino VVT di Volvo Penta utilizza un fasatore a camme, controllato dall'ECM, che varia continuamente l'anticipo o il ritardo della fasatura dell'albero a camme.
diesel
Nel 2007, Caterpillar ha sviluppato i motori C13 e C15 Acert che utilizzavano la tecnologia VVT per ridurre le emissioni di NOx, per evitare l'uso dell'EGR dopo i requisiti EPA del 2002.
Nel 2010, Mitsubishi ha sviluppato e avviato la produzione in serie del suo 4N13 1.8 L DOHC I4, il primo motore diesel al mondo per autovetture dotato di un sistema di fasatura variabile delle valvole.
Nomenclatura automobilistica
I produttori usano molti nomi diversi per descrivere la loro implementazione dei vari tipi di sistemi di fasatura variabile delle valvole. Questi nomi includono:
- AVCS (Subaru)
- AVLS (Subaru)
- CPS (Proton) ma il protone usa il motore vvt per il loro nuovo modello del 2016
- CVTCS (Nissan, Infiniti)
- CVVT (sviluppato da Hyundai motor Co., Kia, ma può anche essere fondato su Geely, Iran Khodro, Volvo)
- DCVCP - doppia fasatura continua a camma variabile (General Motors)
- DVT (fasatura variabile desmodromica, Ducati)
- TVP (Daihatsu, Perodua, Wuling)
- MIVEC (Mitsubishi)
- MultiAir (FCA)
- VCT (Ford)
- N-VCT (Nissan)
- S-VT (Mazda)
- Ti-VCT (Ford)
- VANOS - VAriable NOckenwellenSteuerung 'fasatura dell'albero a camme' senza e con Valvetronic aggiunto (BMW)
- Variatore di fase Alfa Romeo(VCT)Il variatore di fase Alfa Romeo è un sistema di variazione della fasatura delle valvole progettato da Alfa Romeo, il primo utilizzato in una vettura di serie (ALFA ROMEO spider duetto 1980)
- VarioCam (Porsche)
- VTEC , i-VTEC (Honda, Acura)
- VTi , (Citroen, Peugeot, gruppo BMW)
- VVC (MG Rover)
- VVL (Nissan)
- Valvelift (Audi)
- VVA ( Yamaha )
- VVEL (Nissan, Infiniti)
- VVT (Chrysler, General Motors, Proton, Suzuki, Maruti, Isuzu, Gruppo Volkswagen, Toyota)
- VVT-i , VVTL-i (Toyota, Lexus)
- VTVT (Hyundai)
Metodi per implementare il controllo variabile della valvola (VVC)
Cambio della camma
Questo metodo utilizza due profili di camma, con un attuatore per scambiare i profili (di solito a una velocità del motore specifica). La commutazione della camma può anche fornire un'alzata variabile della valvola e una durata variabile, tuttavia la regolazione è discreta anziché continua.
Il primo utilizzo di produzione di questo sistema è stato il sistema VTEC di Honda . Il VTEC modifica la pressione idraulica per azionare un perno che blocca il bilanciere ad alto sollevamento e alta durata a un bilanciere adiacente a basso sollevamento e bassa durata.
Fasatura della camma
Molti sistemi VVT di produzione sono del tipo a camme , utilizzando un dispositivo noto come variatore. Ciò consente la regolazione continua della fasatura della camma (sebbene molti sistemi precedenti utilizzassero solo una regolazione discreta), tuttavia la durata e l'alzata non possono essere regolati.
Camma oscillante
Questi progetti utilizzano un movimento oscillatorio o oscillatorio in un lobo della camma parziale, che agisce su un cedente. Questo follower quindi apre e chiude la valvola. Alcuni sistemi di camme oscillanti utilizzano un lobo di camma convenzionale, mentre altri utilizzano un lobo di camma eccentrico e una biella. Il principio è simile ai motori a vapore, dove la quantità di vapore che entrava nel cilindro era regolata dal punto di "interruzione" del vapore.
Il vantaggio di questo design è che la regolazione dell'alzata e della durata è continua. Tuttavia, in questi sistemi, la portanza è proporzionale alla durata, quindi la portanza e la durata non possono essere regolate separatamente.
I sistemi a camme oscillanti BMW ( valvetronic ), Nissan ( VVEL ) e Toyota ( valvematic ) agiscono solo sulle valvole di aspirazione.
Azionamento eccentrico a camme
I sistemi di azionamento a camme eccentriche funzionano tramite un meccanismo a disco eccentrico che rallenta e accelera la velocità angolare del lobo della camma durante la sua rotazione. Far rallentare il lobo durante il suo periodo aperto equivale ad allungarne la durata.
Il vantaggio di questo sistema è che la durata può essere variata indipendentemente dalla portanza (tuttavia questo sistema non varia la portanza). Lo svantaggio è che sono necessari due azionamenti eccentrici e controller per ciascun cilindro (uno per le valvole di aspirazione e uno per le valvole di scarico), il che aumenta la complessità e il costo.
MG Rover è l'unico produttore che ha rilasciato motori che utilizzano questo sistema.
Lobo della camma tridimensionale
Questo sistema è costituito da un lobo di camma che varia lungo la sua lunghezza (simile a una forma conica). Un'estremità del lobo della camma ha una durata/profilo di sollevamento ridotto e l'altra estremità ha una durata/profilo di sollevamento maggiore. Nel mezzo, il lobo fornisce una transizione graduale tra questi due profili. Spostando l'area del lobo della camma a contatto con il cedente, è possibile modificare continuamente l'alzata e la durata. Ciò si ottiene spostando assialmente l'albero a camme (facendolo scorrere attraverso il motore) in modo che un inseguitore fisso sia esposto a un profilo del lobo variabile per produrre diverse quantità di sollevamento e durata. Lo svantaggio di questa disposizione è che i profili della camma e del cedente devono essere progettati con cura per ridurre al minimo lo stress da contatto (a causa del profilo variabile).
La Ferrari è comunemente associata a questo sistema, tuttavia non è noto se alcuni modelli di produzione fino ad oggi abbiano utilizzato questo sistema.
Profilo del lobo della camma combinato a due alberi
Questo sistema non è noto per essere utilizzato in nessun motore di produzione.
È costituito da due alberi a camme paralleli (ravvicinati), con un inseguitore girevole che attraversa entrambi gli alberi a camme ed è azionato da due lobi contemporaneamente. Ciascun albero a camme ha un meccanismo di fasatura che consente di regolare la sua posizione angolare rispetto all'albero motore del motore. Un lobo comanda l'apertura di una valvola e l'altro comanda la chiusura della stessa valvola, quindi la durata variabile si ottiene attraverso la spaziatura di questi due eventi.
Gli svantaggi di questo design includono:
- A impostazioni di lunga durata, un lobo potrebbe iniziare a ridurre la sua portanza mentre l'altro è ancora in aumento. Questo ha l'effetto di diminuire la portanza complessiva e possibilmente causare problemi dinamici. Un'azienda afferma di aver risolto in una certa misura il tasso irregolare di apertura del problema della valvola, consentendo così una lunga durata a pieno sollevamento.
- Dimensioni del sistema, a causa degli alberi paralleli, dei follower più grandi ecc.
Profilo del lobo della camma combinata a due alberi coassiali
Questo sistema non è noto per essere utilizzato in nessun motore di produzione.
Il principio di funzionamento è che un follower si estende sulla coppia di lobi ravvicinati. Fino al limite angolare del raggio del naso il follower "vede" la superficie combinata dei due lobi come una superficie continua e liscia. Quando i lobi sono esattamente allineati la durata è al minimo (e uguale a quella di ciascun lobo da solo) e quando all'estremo del loro disallineamento la durata è al massimo. La limitazione di base dello schema è che è possibile solo una variazione di durata pari a quella del raggio reale del naso del lobo (in gradi dell'albero a camme o il doppio di questo valore in gradi dell'albero motore). In pratica questo tipo di camma variabile ha un campo massimo di variazione della durata di una quarantina di gradi dell'albero a gomiti.
Questo è il principio alla base di quello che sembra essere il primissimo suggerimento di camma variabile che appare nei file di brevetto USPTO nel 1925 (1527456). L'"albero a camme Clemson" è di questo tipo.
Albero a camme elicoidale
Conosciuto anche come "profilo combinato coassiale a due alberi con movimento elicoidale", questo sistema non è noto per essere utilizzato in nessun motore di produzione.
Ha un principio simile al tipo precedente e può utilizzare lo stesso profilo del lobo di durata base. Tuttavia, invece della rotazione in un unico piano, la regolazione è sia assiale che rotatoria conferendo un aspetto elicoidale o tridimensionale al suo movimento. Questo movimento supera l'intervallo di durata limitato del tipo precedente. L'intervallo di durata è teoricamente illimitato, ma in genere sarebbe dell'ordine di cento gradi dell'albero motore, il che è sufficiente per coprire la maggior parte delle situazioni.
Secondo quanto riferito, la camma è difficile e costosa da produrre, richiedendo una lavorazione elicoidale molto accurata e un attento assemblaggio.
Motori senza camme
I progetti di motori che non si basano su un albero a camme per azionare le valvole hanno una maggiore flessibilità nel raggiungere fasatura variabile delle valvole e alzata variabile delle valvole . Tuttavia, non è ancora stato rilasciato un motore senza camme di produzione per i veicoli stradali.
Sistema idraulico
Questo sistema utilizza l'olio lubrificante del motore per controllare la chiusura della valvola di aspirazione. Il meccanismo di apertura della valvola di aspirazione incorpora una punteria della valvola e un pistone all'interno di una camera. C'è un'elettrovalvola controllata dal sistema di controllo del motore che viene eccitata e fornisce olio attraverso una valvola di non ritorno durante il tempo di sollevamento della camma e l'olio viene riempito nella camera e il canale di ritorno alla coppa è bloccato dalla punteria della valvola . Durante il movimento di discesa della camma, in un determinato istante, il passaggio di ritorno si apre e la pressione dell'olio viene scaricata nella coppa del motore.