Muutuv gaasijaotusfaas

Muutuv gaasijaotusfaas või muutuv klapiajastus (inglise keeles variable valve timing ehk VVT) on protsess, mille käigus muudetakse klapiajastust ja mida sageli kasutatakse sisepõlemismootorites, et parendada võimsust, kütusekulu või emissioone. Üha sagedamini kasutatakse seda koos muutuva klapitõstega. Selle võimaldamiseks on mitmeid viise, alustades mehaanilistest seadmetest ja lõpetades hüdropneumaatiliste või nukkvõllita süsteemidega. Üha rangemaks muutuvad emissioonistandardid sunnivad paljusid autotootjaid kasutama VVT süsteeme.

Kahetaktiliste mootorite puhul kasutatakse power valve süsteemi, et saada sarnased tulemused VVT-ga.

Taustateooria 
Sisepõlemismootoris kasutatakse klappe, et võimaldada sisse- ja väljalaskegaaside liikumine põlemiskambrisse ja sealt välja. Klappide ajastus, kestus ja tõste avaldavad tõsist mõju mootori võimekusele. Ilma muutuva klapiajastuse või klapitõsteta on klapiajastus sama igas olukorras ja kiirusel, mistõttu tekivad kompromissid. Muutuva klapiajastusega mootor on vaba nendest piirangutest, mistõttu saab võimsust parendada üle terve pööretevahemiku.

Kolbmootorid kasutavad tavaliselt klappe, mis töötavad nukkvõllide mõjul. Nukad tõstavad klappe (tõste) teatud aja (kestus) jooksul iga sisse- ja väljalasketsükli jooksul. See klapi avamise ja sulgemise ajastus väntvõlli asendi suhtes on oluline. Nukkvõlli liigutab väntvõll läbi hammasrihma, hammasrataste või keti.

Mootor vajab suurtel kiirustel töötades suurt hulka õhku. Siiski võivad sisselaske klapid sulguda enne kui piisav kogus õhku põlemiskambrisse jõuab, vähendades seega jõudlust. Teisalt, kui nukkvõll hoiab klappe lahti pikemat aega, nagu sport-nukkvõllide puhul, tekivad probleemid madalamatel mootoripööretel. Sisselaskeklapi avanemine, kui väljalaskeklapp on veel avatud, võib põhjustada põlemata kütuse väljumise mootorist, mis alandab mootori jõudlust ning tekitab rohkem heitgaase.

Pidev versus diskreetne 
Varased muutuva klapiajastuse süsteemid kasutasid diskreetset (astmelist) muutust. Näiteks, üks ajastus oleks kasutusel alla 3500 p/min ja teine üle 3500 p/min.

Arenenumad "pidevalt muutuva klapiajastuse" süsteemid pakuvad pidevat (piiramatut) kohandamisvõimalust. Seega saab ajastus olla optimeeritud, et see sobiks kõigile pöördevahemikele ja töötingimustele.

Faseerimine või muutuv kestus 
Lihtsaim VVT vorm on faasimine, mil nukkvõlli faasi nurk on pööratud väntvõlli suhtes ettepoole või tahapoole. Seeläbi avanevad ja sulguvad klapid varem või hiljem, kuid nukkvõlli tõstet ja kestust ei saa nukkvõlli faasimise teel muuta.

Saavutamaks muutuva kestusega VVT süsteemi on vaja keerulisemat süsteemi, nagu mitu nukiprofiili või vahelduvaid nukid.

Ajastuse korrigeerimise tüüpiline mõju 
Hiline sisselaskeklapi sulgemine (LIVC) – esimene alaliselt muutuv klapiajastuse variant hõlmab sisselaskeklapi lahti hoidmist veidi kauem, kui traditsioonilise mootori puhul. Selle tulemusel tekitab kolb kompressioonitaktis rõhu sisselaskekollektoris. Välja surutud õhk, mis survestab sisselaskekollektori, täidab järgmistel sisselasketaktidel põlemiskambri suurema rõhuga. Hiline sisselaskeklapi sulgemine on näidanud 40% vähendust pumpamiskahjudes osalise koormuse tingimustel ja 24% vähendust lämmastikoksiidi (NOx) heitkogustes. Mootori väändemoment langes vaid 1% võrra ja süsivesinike heitmed olid muutmata.

Varane sisselaskeklapi sulgemine (EIVC) – teine võimalus vähendada pumpamiskahjusid, mis seostuvad madala mootori kiiruse ja kõrge vaakumiga on, sulgeda sisselaske klapp varem kui tavaliselt. See hõlmab sisselaskeklapi sulgemist poole sisselasketakti ajal. Õhu/kütuse nõudmised on nii madalad, madalatel koormustel ja töö, mis on vajalik, et täita silinder on suhteliselt kõrge, seega sisselaskeklapi varasem sulgemine vähendab oluliselt pumpamiskadusid. Uuringud on näidanud, et varane sisselaske klapi sulgemine vähendab pumpamiskadusid 40% võrra ja suurendab kütusekulu 7% võrra. See vähendas ka 24% võrra lämmastikoksiidi heitkoguseid osalise koormuse tingimustel. Võimalik negatiivne külg on, et varane sisselaskeklapi sulgemine vähendab oluliselt temperatuuri põlemiskambris, mis võib suurendada süsivesinike heitkoguseid.

Varane sisselaskeklapi avamine – veel üks viis märkimisväärselt vähendada heitkoguseid. Traditsioonilises mootoris kasutatakse protsessi nimega klappide kattumine, et reguleerida silindritemperatuuri. Avades sisselaskeklapp varem, liigub osa inertset/põlenud gaasi sisselaskeklapi kaudu tagasi, kus see momentaanselt jahtub sisselaskekollektoris. Seejärel täidab see inertne gaas silindri sisselasketaktil, mis aitab silindritemperatuuri kontrolli all hoida ning vähendab lämmastikoksiidi heitmeid. See parandab ka mahulist kasutegurit, sest väljalasketaktil on vähem heitgaasi välja saata.

Varane/hiline väljalaskeklapi sulgemine – võib samuti vähendada heitkoguseid. Traditsiooniliselt, väljalaskeklapp avaneb ja ülespoole liikuv kolb surub heitgaasi silindrist välja ja väljalaskekollektorisse. Manipuleerides väljalaskeklapi ajastust, saavad insenerid reguleerida, kui palju heitgaasi jääb silindrisse. Hoides väljalaskeklappi avatuna veidi kauem, tühjeneb silinder rohkem ja mahutab suurema õhu/kütuse segu koguse sisselasketaktil. Sulgedes klapp veidi varem, jääb rohkem heitgaasi silindrisse, mis parendab kütusekulu. See võimaldab tõhusamat toimimist kõigis tingimustes.

Väljakutsed 
Peamine tegur, mis takistab selle tehnoloogia laialdast kasutamist tavaautodes on võime välja töötada soodne viis, et kontrollida gaasijaotusfaase mootorisisestel tingimustel. 3000 pööret minutis töötavas mootoris pöörleb nukkvõll 25 korda sekundis, nii et gaasijaotusfaasi muudatused peavad toimuma täpsetel aegadel, et võimaldada võimekuse parendamine. Elektromagnetilised ja pneumaatilised nukkvõllita klapiajamid pakuks suurimat kontrolli täpsetes gaasijaotusfaasides, kuid 2016. aastal, ei ole see tavasõidukite puhul majanduslikult tulus.

Ajalugu

Aurumootorid 
Gaasijaotusfaaside muutmise viiside otsing ulatub tagasi auruvedurite ajastusse, mil klapi avanemise kestusele viidati kui "aurukatkestusele". Stephensoni klapiajam, mida kasutati varastel auruveduritel, võimaldas muutuvat aurukatkestust, ehk mis aegadel töötakti jooksul oli auru vool silindritesse peatatud. 

Varased lähenemised muutuvale aurukatkestusele ühendasid sisselaske katkestuse väljalaskekatkestusega. Sisse- ja väljalaskekatkestused eraldati taas Corlissi ventiili arendusega. Need olid laialdaselt kasutusel püsiva kiirusega statsionaarsetes mootorites, kus sisselaske katkestus ja seega väändemoment olid mehaaniliselt reguleeritud tsentrifugaalpiirajate ja lülitusklappide abil.

Kui seenklapid kasutusele tulid, tuli kasutusele ka lihtsustatud klapiajam nukkvõlli näol. Selliste mootorite puhul saab muutuva katkestuse saavutada varieeruva profiiliga nukkade abil, mis liiguvad piiraja juhtimisel mööda nukkvõlli.

Lennundus 
Varajane eksperimentaalne 200 hp Clerget V-8 1910. aastatest kasutas libisevat nukkvõlli, et muuta gaasijaotusfaase. Mõned varased 1920. aastate versioonid Bristol Jupiter radiaalmootorist kasutasid muutvat gaasijaotust, peamiselt et muuta sisselaskeklapi ajastust kõrgema surveastme puhul. Lycoming R-7755 mootoril oli muutuva gaasijaotuse süsteem, mis koosnes kahest nukkvõllist, mida sai valida piloot, lennu ajal. Üks stardiks, jälituseks ja põgenemiseks, teine ökonoomseks liikumiseks.

Autondus 
Gaasijaotusfaaside klapitamine mootori pöörlemiskiirusega muutus oluliseks esmalt 1920ndatel, mil mootoripöörete lubatud maksimumid hakkasid tõusma. Kuni umbes selle ajani olid mootorite tühikäigupöörded lähedased mootorite täiskäigupööretele, mis tähendas, et gaasijaotusfaaside reguleerimiseks polnud vajadust. 1920ndatel ilmusid esimesed patendid muutuvate gaasijaotussüsteemide jaoks, näiteks USA Patent 1,527,456.

1958. aastal tegi Porsche taotluse patendiks Saksamaal ja taotles ka Briti patenti, avaldatud, kui Briti Patent GB861369 1959. aastal. Porsche patent kasutas võnkuvat nukki, et suurendada klapi tõstet ja kestust. Seda nukki liigutas mõlemas suunas varras, mida omakorda liigutas ekstsentriline võll või plaat. Ei ole teada, kas mõni töötav prototüüp kunagi toodeti.

Fiat oli esimene autotootja, kes patenteeris funktsionaalse muutuva gaasijaotusfaasi süsteemi autonduses, mis hõlmas ka muutuvat klapitõstet. Süsteem, mille Giovanni Torazza hilistel 1960ndatel välja töötas, kasutas hüdraulilist survet, et muuta nookurite kangi nurka (USA Patent 3,641,988). Hüdrauliline surve muutus vastavalt mootorikiirusele ja sisselaske rõhule. Tüüpiline avanemise muutus oli 37%.

Alfa Romeo oli esimene tootja, kes kasutas muutuva gaasijaotusfaasi süsteemi tavaautodes (USA Patent 4,231,330). Alfa Romeo Spider 2000 1980. aasta sissepritsega mudelitel oli mehaaniline muutuva gaasijaotusfaasi süsteem. Süsteemi projekteeris Ing Giampaolo Garcea 1970. aastatel. Kõik Alfa Romeo Spider mudelid alates 1983. aastast kasutasid elektroonilist muutuva gaasijaotusfaasi süsteemi.

1987. aastal võttis Nissan kasutusele elektroonilise VVT-tehnoloogia NVCS, kasutades seda oma DOHC VG20DET ja VG30DE mootoritel. 1989. aastal avaldas Honda oma VTEC süsteemi. Kuigi varasem Nissan NVCS muudab nukkvõlli faasi, siis VTEC lülitub teisele nukkvõlli profiilile kõrgetel mootoripööretel, et parandada tippvõimsust. Esimene Honda toodetud VTEC mootor oli B16A, mis paigaldati Integra, CRX ja Civic luukpära mudelitesse saadaval Jaapanis ja Euroopas.

1992. aastal tutvustas Porsche esmakordselt VarioCami süsteemi, mis oli esimene süsteem, mis tagas pideva reguleerimise (kõik eelmised süsteemid kasutasid diskreetset reguleerimist). Süsteem ilmus Porsche 968 mudelites ja reguleeris ainult sisselaskeklappe.

Laevandus 
Muutuva gaasijaotusfaasi süsteemid on hakanud jõudma ka laevamootoreisse. Volvo Penta VVT laevamootor kasutab nukkvõlli faasimist, mida juhib ECM, ehk mootoriarvuti ning mis muudab nukkvõlli väntvõlli suhtes varasemaks ja hilisemaks.

Diisel 
2007. aastal töötas Caterpillar välja C13 ja C15 Acerti mootorid, mis kasutavad VVT tehnoloogiat, et vähendada NOx heitkoguseid, et seeläbi vältida EGRi, ehk heitgaasiringluse süsteemi kasutamist pärast 2002. aasta EPA nõudeid.

2010. aastal töötas Mitsubishi välja ja alustas oma 4N13 1.8 L DOHC I4 mootori masstootmist, mis tegi sellest maailma esimese sõiduauto diiselmootori, mis kasutab muutuva gaasijaotusfaasi süsteemi.

Autonduse nomenklatuur 

Tootjad kasutavad paljusid erinevaid nimesid, et kirjeldada oma muutuva gaasijaotusfaasi süsteeme. Nende hulka kuuluvad:

 AVCS (Subaru)
 AVLS (Subaru)
 CPS (Proton)
 CVTCS (Nissan, Infiniti)
 CVVT (välja töötanud Hyundai Motor Co. Leidub ka teistel tootjatel, näiteks Geely, Iran Khodro, Volvo, Kia)
 DCVCP – kahepoolne pidevalt muutuv nukkvõlli faasimine – (General Motors)
 DVT (kahesuunaline muutuv ajastus, Ducati)
 DVVT (Daihatsu, Perodua, Wuling)
 MIVEC (Mitsubishi)
 MultiAir (Fiat/fpt)
 N-VCT (Nissan)
 S-VT (Mazda)
 Ti-VCT (Ford)
 VANOS (BMW)
 VALVETRONIC (BMW ja PSA)
 Variatore di fase Alfa Romeo (VCT) – 'Alfa Romeo faasimuundur' on muutuva gaasijaotusfaasi süsteem, mis on loodud Alfa Romeo poolt ja esimesena kasutatud seeriatootmise autodes. (ALFA ROMEO Spider Duetto 1980)
 VarioCam (Porsche)
 VTEC, i-VTEC (Honda, Acura)
 VTi, (Citroen, Peugeot, BMW grupp)
 VVC (MG Rover)
 VVL (Nissan)
 Valvelift (Audi)
 VVA (Yamaha)
 VVEL (Nissan, Infiniti)
 VVT (Chrysler, General Motors, Proton, Suzuki, Isuzu, Volkswagen Grupp, Toyota)
 VVT-i, VVTL-i (Toyota, Lexus)

Muutuva klapijuhtimise rakendamise meetodid

Nuki vahetamine 
See meetod kasutab kahte nukkvõlliprofiili mehhanismiga, mis neid vahetab (tavaliselt kindlatel mootoripööretel). Nuki vahetamine võib ka pakkuda muutuvat klapi tõstet ja erinevat kestust, kuid reguleerimine on diskreetne, mitte pidev.

Selle süsteemi esimene seeriatootmises kasutamine oli Honda VTEC. VTEC kasutab hüdraulilist survet, et liigutada pulka, mis liidab võimsama kõrge tõste ja kestusega nookurikäpa, tavalise vähese tõste ja kestusega nookurikäpa külge, mis lülitab sisse selle suurema kangiga nookuri.

Nukkvõlli faasimine 
Paljud seeriatootmise VVT süsteemid on nukkvõlli faasimise tüüpi. Need kasutavad variaatorit, mis lubab pideva variatsiooni nukkvõlli ja nukkvõlli rihmaseibi vahel. Kestust ja tõstet selle süsteemi puhul muuta ei saa.

Võnkuv nukk 
See disain muudab nookuri pidepunkti asukohta nukkvõlli suhtes, mis omakorda suurendab, või vähendab nookuri ulatust. See nookur avab ja sulgeb klapi. Põhimõte on sarnane aurumootoritega, kus silindrisse siseneva auru kogus on määratud auru katkestuse punkti poolt.

Eeliseks selle disaini puhul on see, et tõste ja kestuse reguleerimine on pidev. Neis süsteemides on tõste võrdelises seoses kestusega, seega ei saa neid eraldi muuta.

BMW (valvetronic), Nissan (VVEL) ja Toyota (valvematic) kasutavad seda süsteemi ainult sisselaskeklappide puhul.

Ekstsentriline nukkvõlliajam 
Ekstsentriline nukkvõlliajam toimib kasutades ekstsentriline ketta mehhanismi, mis vähendab ja suurendab nukkvõlli nurkkiirust pöörde ajal. Nukkvõlli nuki aeglustamine klapi avanemise ajal suurendab klapi kestust. 

Selle süsteemi eeliseks on see, et kestus võib olla sõltumatu tõstest. (see süsteem ei muuda tõstet). Puuduseks on ekstsentrilise ajami ja kontrolleri vajadus iga silindri jaoks, mis tõstab keerukust ja hinda. 

MG Rover on ainus tootja, kes on tootnud selle süsteemiga mootoreid.

Kolmemõõtmeline nukk 
See süsteem kasutab nukkvõllil nukki, mis on koonilise kujuga – pikiteljel erineva kõrgusega. Ühes otsas on nuki tõste ja kestus väiksemad, teises otsas suuremad. Kahe profiili vahel on sujuv üleminek, mis võimaldab sujuva ülemineku ühelt teisele. Kui muuta nuki ja tõukuri puutepunkti, on võimalik klapi tõstet ja kestust pidevalt reguleerida. Selle saavutamiseks liigutatakse nukkvõlli pikiteljel mootori sees nii, et statsionaarne tõukur puutub nukki erinevatel profiilidel, mis tekitab erinevas koguses tõstet ja kestust. Nõrkuseks selle süsteemi puhul on see, et nuki ja tõukuri vaheline puutepind peab olema võimeline taluma peale pöörlemise ja klapivedru surve ka pikiteljel liikumist. 

Tavaliselt on selle süsteemiga seostatud Ferrarit, aga pole teada kas seda süsteemi on üheski seeriatootmise autos kasutatud.

Kahest võllist koosneb nukiprofiil 
Seda süsteemi pole teadaolevalt seeriatootmises kasutatud.

See koosneb kahest lähestikku paigutatud nukkvõllist ja kalduvast nookurist, mida mõjutavad mõlemad nukkvõllid korraga. Kummalgi nukkvõllil on faseerimissüsteem, mis võimaldab muuda nukkvõlli asendit väntvõlli suhtes. Üks nukkvõll avab klapi ja teine sulgeb selle, mis võimaldab muuta klapi avanemise kestust nende protsesside vahelise aja muutmise teel.

Selle disaini puudused on muuhulgas:

 Pika kestuse seades võib üks nukk hakata tõstet vähendama, kui teine seda alles suurendab. Selle mõjul võib väheneda üldine tõste ja võivad tekkida dünaamikaprobleemid. Üks firma väidab end olevat selle probleemi mõnel määral lahendanud ja seeläbi võimaldanud pika kestuse maksimaalse tõste tingimustes
 Süsteemi suurus paralleelsete võllide, suuremate nookurite tõttu jne.

Koaksiaalne kahe võlli kombineeritud nukiprofiil 
Seda süsteemi pole teadaolevalt seeriatootmises kasutatud.

Tööpõhimõte on, et üks järgija ulatub üle mõlema nukkvõlli nukkide. Kui nukid on täpselt joondatud on kestus minimaalne ja võrdne kummagi nukkvõlliga omaette. aga kui nukkvõllid on maksimaalses nihkes, on kestus maksimaalne. Põhiline piirang selles skeemis on see, et maksimaalne kestuse vahemik on nukkvõlli nuki otsa raadius. Praktikas on selle süsteemi maksimaalne kestuse variatsioon umbes nelikümmend väntvõlli kraadi.

Sellel põhimõttel on ka süsteem, mis näib olevat esimene muutva gaasijaotusfaasi lahendus, mis ilmub USPTO patendifailides 1925 (1527456). "Clemson nukkvõll" on seda tüüpi.

Spiraalsed nukkvõllid 
Tuntud ka kui "Spiraalse käiguga, kombineeritud kahe võlli koaksiaalprofiil", Seda süsteemi ei ole teadaolevalt seeriatootmises kasutatud.

See on sarnane põhimõte eelmise tüübiga ja saab kasutada sama kestusega nukiprofiili. Aga selle asemel, et pöörelda vaid ühel tasapinnal, toimub liikumine nii pikiteljel, kui pöördteljel tekitates seeläbi spiraalne või kolmemõõtmeline liikumine. Sel meetodil ületatakse eelmise süsteemi piirang kestusele. Kestuse valik on teoreetiliselt piiramatu, kuid on tavaliselt suurusjärgus sada väntvõlli kraadi, mis on piisav, et võimaldada sooritus enamikus olukordades.

Seesugust nukkvõlli on väidetavalt keeruline ja kallis toota, sest see vajab väga täpset spiraalset treimist ja ettevaatlikku koostamist.

Nukkvõllita mootorid 
Mootorites, mis ei kasuta klappide avamiseks nukkvõlle. on muutuva klapiajastuse ja tõste saavutamine kõige paindlikum. Siiski ei ole nukkvõllita mootorid veel seeriatootmise autodesse jõudnud.

Nukkvõllita lahendusi võimaldavad ajamid:

 elektromehaanilised (kasutades elektromagneteid)
 hüdraulilised
 samm-mootorid
 pneumaatilised

Vaata ka 

Corliss Orville Burandt
 Muutuv klapitõste
Atkinsoni tsükkel

Viited

Välislingid 

 Honda Technology Picture Book, VTEC
 Delphi Variable Cam Phasers (VCP)
 Volvo CVVT article
 MG Rover VVC article
 MG Rover VVC article (from sandmuseum.com)
 Mechadyne VVA systems