Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


Motor technika 3

2007.12.20
Szelepvezérlés
 
Szelepvezérlés A 70-es évek elején bevezetett fogasszíj meghajtású vezérműtengely kora, amely premierjét már 1964-ben az akkori négyhengeres Glas 1000-ben ünnepelte, egyre inkább a végéhez közeledik. Kezdetben ezt a gumiból és szövetből készült szíjat megmosolyogták, azonban miután kiállta a kezdeti gyermekbetegségeket, gyorsan felismerték előnyeit: a fogasszíj könnyű és zajszegény, nem igényli az üzem közbeni kenést, ezen felül olcsó alkatrész és a gyártási folyamatokban is komoly megtakarításokat eredményezett. Így nem csoda, hogy elég gyorsan kiszorította az olajban futó vezérműláncot. Az évek során ez a koncepció relatív biztonságosnak bizonyult, legalábbis, ha a várakozási- és csereintervallumokat betartották. Ennek ellenére újra és újra történnek kapitális méretű motorhibák egy-egy elszakadt fogasszíj miatt. Mivel a fogasszíj természetesen leginkább magas fordulatszámoknál adja meg magát, a szelepek és a dugattyúk is gyorsan tönkremennek és drága javítási munkálatokra vagy egyből egy új motorra van szükség. Ami természetesen legfőképpen a jobb márkák imázsának minden, csak nem jó. A meglepően gyors visszaváltásnak a lánchoz azonban más az oka, ami magában a szelepszabályozásban keresendő. Egyrészt egy ideje majdnem minden motornál a két felső helyzetű vezérműtengelyhez állítómechanizmusokat alkalmaznak a vezérműtengely-meghajtás és a vezérműtengely között, a szelepidők folyamatos szabályozására. Mivel a vezérműtengely-meghajtásnak különösen precíznek kell lennie, a fogasszíj nem elég többé. Egyszerűen nem elég precíz a vezérlőelektronikához. Mivel ezek az állítómechanizmusok szinte kizárólag olajnyomással szabályozhatóak, adta magát az olajkádban futó lánc. Másrészt a gyártók ráébredtek, hogy a "nem precíz" fogasszíjak az Euro 4 -es kipufogógáz-norma betartásához a motorszabályozás elektronikáját illetően további ráfordítást igényelnek, ami felemészti az árelőnyt. Ezzel a fogasszíj ismét teljesen eltűnhet a belső égésű motorgyártásból.
 
Állítható szívócső Mint további vezérlőszervekkel, melyek ugyan nem közvetlenül a hengerfejben találhatóak, mégis szorosan összefüggésben vannak a szelepszabályozással, foglalkoznunk kell a különböző szívócsövekkel és szabályozószelepekkel, melyek a beszívott levegő/keverék szabályozásáért felelősek. A különböző szívócsövek- vagy inkább szívórendszerek- szükségszerűek lettek, ahogy a négyszelepes motor különböző okokból egyre inkább előtérbe került. Mivel egy négyszelepes alacsony fordulatszámon veszít a nyomatékból ill. húzóerőből (a közvetlen okokat a "Szívó-és kipufogó rendszerek" részben találod), a mérnököknek ki kellett valamit eszelniük. Mivel ismert, hogy a rövid szívócsövek a magas fordulaton leadott nagy teljesítményhez jók és a hosszú szívócsövek a megfelelő nyomatékhoz (alacsony fordulatszámon) alkalmasak (ez alapjában véve a szívószakasz úgynevezett rezonanciaegyezésével kapcsolatos), kifejlesztették a változtatható hosszúságú szívócsöveket. Az egyes szívócsövek a szívórendszerben vannak, de mivel a motortérben nincs elég hely, legtöbbször csiga alakban helyezik el. A "csigát" egy meghatározott helyen (lásd fotó) egy állítószeleppel felosztják úgy, hogy két különböző szívócsőhossz keletkezik.

Twin-Port (Opel) Egy másik funkciót is ellátnak a szelepek a szívócsövekben. Az alsó fordulatszám-tartományban és egy bizonyos pontig részleges terhelésen elzárják a befecskendezőszelepekhez tartozó befecskendező-csatorna egyikét (twin-port az Opelnél) és a frissgázt rotációra késztetik, így egy töltési rétegződés képződik. A VW benzines közvetlen befecskendezésű (Fsi) motorjánál egy szabályozószelep a beszívott levegőt félgömb alakú zsebekbe tereli, melyek a dugattyúban találhatóak, hogy az örvénylés hatására hasonló hatást érjenek el. Mindkét variáns csökkenti a fogyasztást és a környezetszennyező anyagok kibocsátását a kipufogógázzal.

A benzines fogyasztási hátránya a dízelmotorokkal szemben nagyrészt abban áll, hogy fojtott-üzemben (a pillangószelep csökkenti a bevezetett levegőmennyiséget, hogy egy közel gyulladásképes elegyet biztosítson) jelentősen veszít hatékonyságából. Fojtott üzemben ezért a benzines szinte mindig magas fogyasztással fut a dízellel ellentétben, amely mindig levegőfeleslegben, azaz soványan üzemel. A teljesítményt a dízelnél a bevezetett energiával, azaz a befecskendezett üzemanyag mennyiségével szabályozzuk. Ez a fajta teljesítményszabályozás a benzinesnél az égési folyamatok (üzemanyag/levegőkeverék stb.) körülményeit tekintetbe véve nem lehetséges ilyen egyszerűen. A legújabb generációjú direkt befecskendezésű benzinmotoroknál, az úgynevezett "soványmotoroknál", a rétegtöltéssel, szívócső-lekapcsolással és egy hatékony üzemanyag-szabályozással (többszöri befecskendezés) próbálkoznak ugyan ezeknek a hátrányoknak a leküzdésére, azonban a kipufogógáz minősége a hagyományos gázcsere-szabályozással, állandó bütyökemelkedéssel ( különösen fojtott üzemben ) a megoldhatóság határán van.

BMW változtatható szelepvezérlés Mivel a kipufogógáz problémái kizárólag a befecskendezési oldaltól függenek, egy teljesen variábilis szelepvezérlés, amely lehetővé teszi az állítható szelepemelkedést a befecskendező oldalon, közelíti az ideális állapotot. Ideális esetben ez feleslegessé tehet egy pillangószelepet. Majd minden nagy automobil-gyártó dolgozik egy ilyen jellegű szelepvezérlésen. Németországban többek között a Porsche és a BMW különböző variábilis szelepemelkedésű rendszereket alkalmaz a befecskendező szelepek szabályozásánál már szériákban. Minden esetre a szelepemelkedés változtatása ennél még mechanikusan és természetesen csak a befecskendező oldalon realizálódik. A szelepemelkedés szabályozásának menete fokozatmentesen történik. Ez azt jelenti, hogy például egy 9,7 -es szelepemelkedést (teljes terhelés) csökkentünk egy például 3 mm -es állítási nagysággal 6,7 mm-re a fojtott üzem egy meghatározott szakaszában. A BMW teljesen variábilis szelepemelkedésű "VALVETRONIC" szabályozórendszere 0,0 - 9,7 mm-ig terjed. Az állítómotornak, amely az excentertengelyt (vezérműtengelyt) egy csigarendszeren keresztül állítja, a minimál-emelkedésről maximál-emelkedésre történő állításhoz csupán 300 milliszekundumra van szüksége. BMW VALVETRONIC Ennek a gyors szabályozásnak az elérésére a BMW a VALVETRONIC-hoz egy 40-megaherc/32-bit-szabályozóprocesszort alkalmaz, amely a motorszabályozás mellett kapott helyet. A BMW ilyen teljesen variábilis befecskendezőszelep-szabályozást csak rövid ideje épít 4-, 6- és 8-hengeres motorokhoz. A BMW-nél egy kb. 10%-os fogyasztási előnyről beszélnek ennél a technológiánál. A legnagyobb takarékossági hatás természetesen akkor következik, ha alacsony terhelésnél az ember alacsonyabb fordulatszámmal hajt. Mivel a szelepemelkedés állításához további mechanikus, részben nagyon költséges vezérműtengelyek ill. állítómotorok vagy hasonlóak szükségesek, ezek a megoldások a motorépítést jelentősen drágábbá teszik. Egy jó példa a realizálandó költségre a BMW-hajtómű. A súrlódási veszteségnek az alacsonyan tartása a sok mechanikus alkatrész ellenére, a szelepvezérlés teljesen új konstrukciós és előállítási útjait tette szükségessé. Ezért az emelők a szelepvezérlésben csapágyazottak és a súlycsökkentés miatt pl. üreges vezérműtengelyeket alkalmaznak. A Porsche ehhez képest egy jóval egyszerűbb megoldást alkalmazott. A Porsche "Variocam Plus" -sza a BMW-variánssal szemben csak két különböző magasságú szelepmelkedést igényel. A szelepemelkedés folyamatos állítása nem lehetséges. Az állításhoz a két egymásban fekvő tányérszelepet egy elektrohidraulikus kapcsolószelepen keresztül két különböző helyzetbe állítjuk egymással szemben. Ennél a belső szelep egy lapos és a külső egy magas bütykön keresztül hat. Az egész állítómechanizmus a többrészes befecskendező-vezérműtengelyen belül játszódik le. Ezáltal a szelepvezérlés ridegsége megmarad és magas fordulatszámok is realizálhatóak.

Egy további fontos pont a szelepszabályozás szemléletében egyre inkább a szelepvezérlési idők pontossága. Ez a probléma annál inkább kritikus, minél magasabb a fordulatszám. Éppen a jelenlegi és jövőbeli kipufogógáz-normák késztetnek arra, hogy nagyon egzakt szabályozási időkkel utazzunk. Problémás ebben a tekintetben már például a fogaskerék, mivel hajlamos magas fordulatszámon és hirtelen terhelésváltozáskor a "vezérlésiidő-villogásra". Mivel azonban például a befecskendezőszelep pontos zárása éppen a kipufogógáz-minőség tekintetében különösen fontos, az első ellenintézkedés a fogasszíjhoz való visszatérés volt a vezérműtengely-meghajtáshoz. (Egy további ok természetesen a szíj magasabb üzembiztonsága.) Minden esetre egy fogasszíj és egy befecskendező-oldali mechanikusan állítható "teljesen variábilis" szelepvezérlés még nem old meg automatikusan minden problémát. Ezért időközben megtettek még egy további lépést és kifejlesztettek egy elektromechanikus szelepvezérlést (EVT) vezérműtengely nélkül. Egy ilyen jellegű szelepvezérlés kielégíthet minden mai és jövőbeni követelményt a pontosságban és szabályozási sebességben. További előnyei lennének egy ilyen jellegű szelepvezérlésnek a kevesebb súrlódási veszteség, valamint egy olajmentes hengerfej.

BMW-Siemens elektromechanikus szelepvezérlés Az első automobil-gyártó, amelyik bizonyíthatóan már egy ilyen jellegű megoldást tesztel, az a BMW. Itt a Siemenssel közösen egy ilyen új elektromechanikus szelepvezérlésen dolgoznak. Ennek a megoldásnak a szíve egy úgynevezett aktuátor. Ez egy-egy mágnesből áll a szelep nyitásához és a zárásához. Utóbbit egy vezérlemezen (anker) rögzítik és az egyenáram rákapcsolásával lefelé vagy fölfelé mozgatható. Kis szeleprugók tartják a szelepet semleges állásban (zárva), ha nincs vezéráram. Ezzel az elektromechanikus megoldással elméletileg minden egyes hengernek egyedi nyitási időt és nyitási emelkedést adhatunk meg. A szelepnyitási idők szabályozását a mindenkori üzemállapothoz egy processzor végzi. Azért, hogy az elektronikus szabályozás működhessen, az aktuátorban egy mozgás-szenzor van, amely állandóan közvetíti a processzornak, hogy a szelep milyen helyzetben van. Mivel a szabályozási folyamatnak az egész fordulatszám-tartományon valós időben kell lejátszódnia, erre a feladatra hatalmas számolási mennyiség szükségeltetik. Érdekes módon a mérnökök a fő problémát nem a teljesítendő számolási mennyiségekben látják- itt szerintük hagyatkozhatnak a processzorok fejlesztésénél tapasztalt folyamatos fejlődésre-, hanem a speciális aktuátorok készítésénél. Momentán az igazi problémát az jelenti, hogy az aktuátorok, melyek ugye mágnesesen működnek, a szelepet olyan erősen odaütik a szelepfészekhez, hogy az rövid időn belül tönkremegy. Mivel a nyitási- és zárási folyamatnak nagyon gyorsan kell végbemennie, hogy a szelepnek egy lehetőleg hosszú össznyitási idejét érjük el, az aktuátoroknak megfelelően erősen kell dolgoznia. A mechanikus erők, melyek az aktuátoron keresztül a szelepre hatnak, sokszorosa annak, mint amelyek a hagyományos szelepeket érik. Ennek oka a (még) nem szabályozható mágneserő. Ezért keresik azokat a lehetőségeket, melyekkel a szelep a fészekhez történő csapódása előtt megfelelően lefékezhető. Mikor ez a probléma megoldódik, már semmi sem állhat a vezérműtengely-mentes elektromechanikus szelepvezérlés útjába, így az elkövetkezendő öt éven belül szériagyártásra bocsáthatják.