Sincronização variável da válvula - Variable valve timing

Cabeça do cilindro da Honda K20Z3 . Este motor usa temporização continuamente variável para as válvulas de entrada

Em motores de combustão interna , o tempo de válvula variável ( VVT ) é o processo de alterar o tempo de um evento de levantamento de válvula e é freqüentemente usado para melhorar o desempenho, economia de combustível ou emissões. Está cada vez mais sendo usado em combinação com sistemas de levantamento de válvula variável . Há muitas maneiras de se conseguir isso, desde dispositivos mecânicos até sistemas eletro-hidráulicos e sem cames . Regulamentações de emissões cada vez mais rígidas estão fazendo com que muitos fabricantes automotivos usem sistemas VVT.

Os motores de dois tempos usam um sistema de válvula de potência para obter resultados semelhantes aos do VVT.

Teoria de fundo

As válvulas dentro de um motor de combustão interna são usadas para controlar o fluxo dos gases de admissão e exaustão para dentro e para fora da câmara de combustão . O tempo, a duração e a elevação desses eventos de válvula têm um impacto significativo no desempenho do motor . Sem tempo de válvula variável ou levantamento de válvula variável , o tempo de válvula é o mesmo para todas as velocidades e condições do motor, portanto, concessões são necessárias. Um motor equipado com um sistema de acionamento de temporização de válvula variável é liberado dessa restrição, permitindo que o desempenho seja aprimorado ao longo da faixa de operação do motor.

Os motores de pistão normalmente usam válvulas que são acionadas por árvores de cames . Os cames abrem ( levantam ) as válvulas por um certo período de tempo ( duração ) durante cada ciclo de admissão e exaustão. O tempo de abertura e fechamento da válvula, em relação à posição do virabrequim, é importante. O eixo de comando é acionado pelo virabrequim por meio de correias dentadas , engrenagens ou correntes .

Um motor requer grandes quantidades de ar ao operar em altas velocidades. No entanto, as válvulas de admissão podem fechar antes que o ar suficiente entre em cada câmara de combustão, reduzindo o desempenho. Por outro lado, se a árvore de cames mantém as válvulas abertas por períodos mais longos, como acontece com um came de corrida, os problemas começam a ocorrer nas rotações mais baixas do motor. Abrir a válvula de admissão enquanto a válvula de escape ainda está aberta pode fazer com que o combustível não queimado saia do motor, reduzindo o desempenho do motor e aumentando as emissões. De acordo com o livro "Building Horsepower" do engenheiro David Vizard, quando a admissão e o escapamento são abertos simultaneamente, o escapamento de pressão muito mais alta empurra a carga de admissão para fora do cilindro, poluindo o coletor de admissão com o escapamento, nos piores casos .

Contínuo versus discreto

Os primeiros sistemas de temporização de válvula variável usavam ajuste discreto (escalonado). Por exemplo, um tempo seria usado abaixo de 3500 rpm e outro usado acima de 3500 rpm.

Os sistemas mais avançados de "temporização contínua da válvula variável" oferecem ajuste contínuo (infinito) da sincronização da válvula. Portanto, o tempo pode ser otimizado para se adequar a todas as velocidades e condições do motor.

Cam phasing versus duração variável

A forma mais simples de VVT é came desfasagem , pelo que o ângulo de fase do veio de excêntricos é rodada ou para a frente para trás em relação à cambota. Assim, as válvulas abrem e fecham mais cedo ou mais tarde; no entanto, a elevação e a duração da árvore de cames não podem ser alteradas apenas com um sistema de fase de cames.

Alcançar uma duração variável em um sistema complexo VVT, como vários perfis de cames

Efeito típico de ajustes de tempo

Fechamento tardio da válvula de admissão (LIVC) A primeira variação da sincronização contínua da válvula variável envolve manter a válvula de admissão aberta um pouco mais do que um motor tradicional. Isso resulta no pistão realmente empurrando o ar para fora do cilindro e de volta para o coletor de admissão durante o curso de compressão. O ar que é expelido enche o colector com uma pressão mais elevada e, nas passagens de admissão subsequentes, o ar que é aspirado está com uma pressão mais elevada. Foi demonstrado que o fechamento tardio da válvula de admissão reduz as perdas por bombeamento em 40% durante as condições de carga parcial e diminui as emissões de óxido nítrico ( NOx ) em 24%. O torque máximo do motor mostrou apenas um declínio de 1% e as emissões de hidrocarbonetos permaneceram inalteradas.

Fechamento antecipado da válvula de admissão (EIVC) Outra maneira de diminuir as perdas de bombeamento associadas à baixa rotação do motor, em condições de alto vácuo, é fechar a válvula de admissão mais cedo do que o normal. Isso envolve o fechamento da válvula de admissão no meio do curso de admissão. As demandas de ar / combustível são tão baixas em condições de baixa carga e o trabalho necessário para encher o cilindro é relativamente alto, de modo que o fechamento precoce da válvula de admissão reduz significativamente as perdas de bombeamento. Estudos demonstraram que o fechamento precoce da válvula de admissão reduz as perdas por bombeamento em 40% e aumenta a economia de combustível em 7%. Também reduziu as emissões de óxido nítrico em 24% em condições de carga parcial. Uma possível desvantagem do fechamento antecipado da válvula de admissão é que ela reduz significativamente a temperatura da câmara de combustão, o que pode aumentar as emissões de hidrocarbonetos.

Abertura antecipada da válvula de admissão A abertura antecipada da válvula de admissão é outra variação que tem potencial significativo para reduzir as emissões. Em um motor tradicional, um processo chamado sobreposição de válvula é usado para auxiliar no controle da temperatura do cilindro. Ao abrir a válvula de admissão mais cedo, parte do gás de escape inerte / queimado voltará a fluir para fora do cilindro, através da válvula de admissão, onde esfria momentaneamente no coletor de admissão. Esse gás inerte então enche o cilindro no curso de admissão subsequente, o que ajuda a controlar a temperatura do cilindro e as emissões de óxido nítrico. Também melhora a eficiência volumétrica, porque há menos gás de escape a ser expelido no curso de escape.

Fechamento antecipado / tardio da válvula de escapamento O tempo de fechamento antecipado e tardio da válvula de escapamento pode ser manipulado para reduzir as emissões. Tradicionalmente, a válvula de escapamento abre e o gás de escapamento é empurrado para fora do cilindro e para o coletor de escapamento pelo pistão conforme ele se desloca para cima. Ao manipular o tempo da válvula de escape, os engenheiros podem controlar quanto gás de escape resta no cilindro. Mantendo a válvula de escape aberta um pouco mais, o cilindro é esvaziado mais e pronto para ser enchido com uma carga maior de ar / combustível no curso de admissão. Ao fechar a válvula um pouco mais cedo, mais gás de escape permanece no cilindro, o que aumenta a eficiência do combustível. Isso permite uma operação mais eficiente em todas as condições.

Desafios

O principal fator que impede o amplo uso dessa tecnologia em automóveis de produção é a capacidade de produzir um meio econômico de controlar a sincronização das válvulas nas condições internas de um motor. Um motor operando a 3.000 rotações por minuto irá girar o eixo de comando 25 vezes por segundo, de modo que os eventos de temporização da válvula devem ocorrer em momentos precisos para oferecer benefícios de desempenho. Os atuadores de válvula sem came eletromagnéticos e pneumáticos oferecem o maior controle da sincronização precisa da válvula, mas, em 2016, não são econômicos para veículos de produção.

História

Motores a vapor

A história da busca por um método de duração variável de abertura de válvula remonta à era das máquinas a vapor, quando a duração da abertura da válvula era referida como " corte de vapor ". A engrenagem da válvula Stephenson , como usada nas primeiras locomotivas a vapor, suportava corte variável , isto é, muda para o momento em que a admissão de vapor aos cilindros é cortada durante o curso de energia.

As primeiras abordagens para corte variável acoplaram variações no corte de admissão com variações no corte de exaustão. O corte de admissão e exaustão foi desacoplado com o desenvolvimento da válvula Corliss . Estes foram amplamente utilizados em motores estacionários de velocidade constante, carga variável, com corte de admissão e, portanto, torque, controlado mecanicamente por um regulador centrífugo e válvulas de desarme .

Quando as válvulas de gatilho começaram a ser usadas, uma engrenagem de válvula simplificada usando um eixo de comando passou a ser usada. Com esses motores, o corte variável pode ser alcançado com cames de perfil variável que foram deslocados ao longo do eixo de cames pelo governador. Os carros a vapor Serpollet produziam vapor de alta pressão muito quente, exigindo válvulas de gatilho, e estes usavam um mecanismo patenteado de eixo de comando deslizante, que não apenas variava o corte da válvula de admissão, mas permitia que o motor fosse invertido.

Aeronave

Um primeiro Clerget V-8 experimental de 200 hp da década de 1910 usava um eixo de comando deslizante para mudar o sincronismo da válvula. Algumas versões do motor radial Bristol Júpiter do início da década de 1920 incorporavam engrenagem de válvula de distribuição variável, principalmente para variar a sincronização da válvula de admissão em relação a taxas de compressão mais altas. O motor Lycoming R-7755 tinha um sistema de temporização de válvula variável que consiste em dois cames que podem ser selecionados pelo piloto. Um para decolar, perseguição e fuga, o outro para cruzeiro econômico.

Automotivo

A conveniência de poder variar a duração da abertura da válvula para corresponder à velocidade de rotação de um motor tornou-se aparente pela primeira vez na década de 1920, quando os limites máximos de RPM permitidos estavam geralmente começando a aumentar. Até então, as RPMs de marcha lenta de um motor e suas RPMs de operação eram muito semelhantes, o que significa que havia pouca necessidade de duração variável da válvula. O primeiro uso de tempo de válvula variável foi no Cadillac Runabout e Tonneau de 1903 criado por Alanson Partridge Brush Patente 767.794 “ENGRENAGEM DE VÁLVULA DE ENTRADA PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA” registrada em 3 de agosto de 1903, e concedida em 16 de agosto de 1904. Algum tempo antes de 1919 Lawrence Pomeroy, Designer Chefe da Vauxhall, havia projetado um motor de 4,4 L para uma substituição proposta para o modelo 30-98 existente a ser chamado de H-Type. Neste motor, a única árvore de cames à cabeça devia mover-se longitudinalmente para permitir o engate de diferentes lóbulos da árvore de cames. Foi na década de 1920 que as primeiras patentes para abertura de válvula de duração variável começaram a aparecer - por exemplo, a patente dos Estados Unidos nos Estados Unidos 1.527.456 .

Em 1958, a Porsche fez o pedido de patente alemã, também solicitada e publicada como patente britânica GB861369 em 1959. A patente da Porsche usava um came oscilante para aumentar a elevação e a duração da válvula. O came desmodrômico acionado por meio de uma haste de empurrar / puxar de um eixo excêntrico ou placa oscilante . Não se sabe se algum protótipo funcional já foi feito.

A Fiat foi o primeiro fabricante de automóveis a patentear um sistema de cronometragem de válvula variável automotiva funcional que incluía elevação variável. Desenvolvido por Giovanni Torazza no final dos anos 1960, o sistema usava pressão hidráulica para variar o ponto de apoio dos seguidores de came (Patente dos EUA 3.641.988). A pressão hidráulica mudou de acordo com a rotação do motor e a pressão de admissão. A variação típica de abertura foi de 37%.

A Alfa Romeo foi o primeiro fabricante a usar um sistema de distribuição de válvula variável em carros de produção (Patente dos EUA 4.231.330). Os modelos com injeção de combustível do Alfa Romeo Spider 2000 de 1980 tinham um sistema VVT mecânico. O sistema foi projetado por Ing Giampaolo Garcea na década de 1970. Todos os modelos do Alfa Romeo Spider a partir de 1983 usavam VVT eletrônico.

Em 1989, a Honda lançou o sistema VTEC . Enquanto o Nissan NVCS anterior altera o faseamento da árvore de cames, VTEC muda para um perfil de came separado em altas velocidades do motor para melhorar a potência de pico. O primeiro motor VTEC produzido pela Honda foi o B16A, que foi instalado nos modelos Integra , CRX e Civic, disponíveis no Japão e na Europa.

Em 1992, a Porsche introduziu o VarioCam , que foi o primeiro sistema a fornecer ajuste contínuo (todos os sistemas anteriores usavam ajuste discreto). O sistema foi lançado no Porsche 968 e operado apenas nas válvulas de admissão.

Motocicletas

A sincronização variável das válvulas foi aplicada aos motores das motocicletas, mas foi considerada uma "vitrine tecnológica" inútil em 2004 devido à penalidade do peso do sistema. Desde então, motocicletas incluindo VVT incluíram a Kawasaki 1400GTR / Concours 14 (2007), a Ducati Multistrada 1200 (2015), a BMW R1250GS (2019) e a Yamaha YZF-R15 V3.0 (2017), a Suzuki GSX-R1000R 2017 L7.

Marinho

O sincronismo variável das válvulas começou a chegar aos motores marítimos. O motor marítimo VVT da Volvo Penta usa um phaser de cames, controlado pelo ECM, que varia continuamente o avanço ou retardo da sincronização do eixo de cames.

Diesel

Em 2007, a Caterpillar desenvolveu os motores C13 e C15 Acert que usaram a tecnologia VVT para reduzir as emissões de NOx, para evitar o uso de EGR após os requisitos de 2002 da EPA.

Em 2010, a Mitsubishi desenvolveu e iniciou a produção em massa de seu 4N13 1.8 L DOHC I4, o primeiro motor a diesel para automóveis de passageiros do mundo que apresenta um sistema de distribuição de válvula variável.

Nomenclatura automotiva

Fasers tipo palheta hidráulica em um modelo recortado do motor Hyundai T-GDI

Os fabricantes usam muitos nomes diferentes para descrever sua implementação dos vários tipos de sistemas de temporização de válvula variável. Esses nomes incluem:

  • AVCS (Subaru)
  • AVLS (Subaru)
  • CPS (Proton), mas próton usa motor vvt para seu novo modelo de 2016
  • CVTCS (Nissan, Infiniti)
  • CVVT (desenvolvido pela Hyundai motor Co., Kia, mas também pode ser fundado em Geely, Iran Khodro, Volvo)
  • DCVCP - fase dupla contínua variável do came (General Motors)
  • DVT (temporização variável dessmodrômica, Ducati)
  • DVVT (Daihatsu, Perodua, Wuling)
  • MIVEC (Mitsubishi)
  • MultiAir (FCA)
  • VCT (Ford)
  • N-VCT (Nissan)
  • S-VT (Mazda)
  • Ti-VCT (Ford)
  • VANOS - VAriable NOckenwellenSteuerung 'sincronização da árvore de cames' sem e com Valvetronic (BMW) adicionado
  • Variatore di fase Alfa Romeo (VCT) O variador de fase Alfa Romeo é um sistema de variação de tempo de válvula projetado pela Alfa Romeo, o primeiro usado em um carro de produção em série (ALFA ROMEO spider duetto 1980)
  • VarioCam (Porsche)
  • VTEC , i-VTEC (Honda, Acura)
  • VTi , (Citroen, Peugeot, grupo BMW)
  • VVC (MG Rover)
  • VVL (Nissan)
  • Valvelift (Audi)
  • VVA ( Yamaha )
  • VVEL (Nissan, Infiniti)
  • VVT (Chrysler, General Motors, Proton, Suzuki, Maruti, Isuzu, Grupo Volkswagen, Toyota)
  • VVT-i , VVTL-i (Toyota, Lexus)
  • VTVT (Hyundai)

Métodos para implementar o controle de válvula variável (VVC)

Troca de câmeras

Este método usa dois perfis de came, com um atuador para alternar entre os perfis (geralmente em uma rotação do motor específica). A comutação do came também pode fornecer elevação variável da válvula e duração variável, no entanto, o ajuste é discreto em vez de contínuo.

O primeiro uso de produção desse sistema foi o sistema VTEC da Honda . O VTEC altera a pressão hidráulica para acionar um pino que bloqueia o braço oscilante de alta elevação e alta duração para um braço oscilante adjacente de baixa elevação e baixa duração.

Cam phasing

Muitos sistemas VVT de produção são do tipo de fase de came , usando um dispositivo conhecido como variador. Isso permite o ajuste contínuo da sincronização do came (embora muitos sistemas anteriores usassem apenas ajustes discretos), no entanto, a duração e a elevação não podem ser ajustadas.

Câmera oscilante

Esses projetos usam um movimento oscilante ou de balanço em um lóbulo de came parcial, que atua em um seguidor. Este seguidor então abre e fecha a válvula. Alguns sistemas de came oscilante usam um lóbulo de came convencional, enquanto outros usam um lóbulo de came excêntrico e uma biela. O princípio é semelhante ao das máquinas a vapor, em que a quantidade de vapor que entra no cilindro era regulada pelo ponto de "corte" do vapor.

A vantagem deste projeto é que o ajuste de sustentação e duração é contínuo. No entanto, nesses sistemas, a elevação é proporcional à duração, portanto, a elevação e a duração não podem ser ajustadas separadamente.

Os sistemas de cames oscilantes BMW ( valvetronic ), Nissan ( VVEL ) e Toyota ( valvematic ) atuam apenas nas válvulas de admissão.

Excêntrico cam drive

Os sistemas de acionamento do came excêntrico operam por meio de um mecanismo de disco excêntrico que diminui e acelera a velocidade angular do lóbulo do came durante sua rotação. Organizar o lóbulo para desacelerar durante seu período aberto é equivalente a aumentar sua duração.

A vantagem deste sistema é que a duração pode variar independentemente da elevação (no entanto, este sistema não varia a elevação). A desvantagem é que duas unidades excêntricas e controladores são necessários para cada cilindro (um para as válvulas de admissão e outro para as válvulas de exaustão), o que aumenta a complexidade e o custo.

MG Rover é o único fabricante que lançou motores usando este sistema.

Lóbulo de came tridimensional

Este sistema consiste em um lóbulo de came que varia ao longo de seu comprimento (semelhante a um formato de cone). Uma extremidade do lóbulo de came tem uma duração curta / perfil de elevação reduzido e a outra extremidade tem uma duração mais longa / perfil de elevação maior. No meio, o lóbulo fornece uma transição suave entre esses dois perfis. Ao deslocar a área do lóbulo do came que está em contato com o seguidor, a elevação e a duração podem ser alteradas continuamente. Isso é conseguido movendo o eixo de comando axialmente (deslizando-o através do motor) de forma que um seguidor estacionário seja exposto a um perfil de lóbulo variável para produzir diferentes quantidades de sustentação e duração. A desvantagem desse arranjo é que os perfis do came e do seguidor devem ser cuidadosamente projetados para minimizar a tensão de contato (devido à variação do perfil).

A Ferrari é comumente associada a este sistema, no entanto, não se sabe se algum modelo de produção até agora usou este sistema.

Perfil de lóbulo de came combinado de dois eixos

Este sistema não é usado em motores de produção.

Consiste em duas árvores de cames paralelas (pouco espaçadas), com um seguidor de rotação que abrange ambas as árvores de cames e é acionado por dois lóbulos simultaneamente. Cada eixo de comando possui um mecanismo de fase que permite o ajuste de sua posição angular em relação ao virabrequim do motor. Um lóbulo controla a abertura de uma válvula e o outro controla o fechamento da mesma válvula, pois a duração variável é alcançada através do espaçamento desses dois eventos.

As desvantagens deste design incluem:

  • Em configurações de longa duração, um lóbulo pode estar começando a reduzir sua sustentação enquanto o outro ainda está aumentando. Isso tem o efeito de diminuir a elevação geral e possivelmente causar problemas dinâmicos. Uma empresa afirma ter resolvido a taxa desigual de abertura do problema da válvula até certo ponto, permitindo assim uma longa duração com levantamento total.
  • Tamanho do sistema, devido aos eixos paralelos, os seguidores maiores, etc.

Perfil de lóbulo de came combinado de dois eixos coaxiais

Este sistema não é usado em motores de produção.

O princípio operacional é que o seguidor abrange o par de lóbulos próximos. Até o limite angular do raio da ponta, o seguidor "vê" a superfície combinada dos dois lóbulos como uma superfície contínua e lisa. Quando os lóbulos estão exatamente alinhados, a duração é mínima (e igual à de cada lóbulo sozinho) e quando na extensão extrema de seu desalinhamento, a duração é máxima. A limitação básica do esquema é que apenas uma variação de duração igual ao raio verdadeiro do nariz do lóbulo (em graus da árvore de cames ou o dobro deste valor em graus da cambota) é possível. Na prática, este tipo de came variável tem uma faixa máxima de variação de duração de cerca de quarenta graus de virabrequim.

Este é o princípio por trás do que parece ser a primeira sugestão de came variável que aparece nos arquivos de patente do USPTO em 1925 (1527456). A "árvore de cames Clemson" é deste tipo.

Árvore de cames helicoidal

Também conhecido como "perfil combinado coaxial de dois eixos combinados com movimento helicoidal", este sistema não é usado em nenhum motor de produção.

Ele tem um princípio semelhante ao tipo anterior e pode usar o mesmo perfil de lóbulo de duração base. Porém, ao invés da rotação em um único plano, o ajuste é axial e rotacional dando um aspecto helicoidal ou tridimensional ao seu movimento. Este movimento supera a faixa de duração restrita do tipo anterior. A faixa de duração é teoricamente ilimitada, mas normalmente seria da ordem de cem graus de virabrequim, o que é suficiente para cobrir a maioria das situações.

O came é supostamente difícil e caro de produzir, exigindo usinagem helicoidal muito precisa e montagem cuidadosa.

Motores sem cam

Projetos de motores que não dependem de uma árvore de cames para operar as válvulas têm maior flexibilidade para alcançar o tempo de válvula variável e levantamento de válvula variável . No entanto, ainda não houve um motor sem cames de produção lançado para veículos rodoviários.

Sistema hidráulico

Este sistema utiliza o óleo lubrificante do motor para controlar o fechamento da válvula de admissão. O mecanismo de abertura da válvula de admissão incorpora um taco de válvula e um pistão dentro de uma câmara. Há uma válvula solenóide controlada pelo sistema de controle do motor que é energizada e fornece óleo através de uma válvula de retenção durante o tempo de elevação do came e o óleo é preenchido na câmara e o canal de retorno para o reservatório é bloqueado pelo taco da válvula . Durante o movimento descendente do came, em um determinado instante, a passagem de retorno se abre e a pressão do óleo é liberada para o cárter do motor.

Referências

links externos