VTI Motory a ich technológia

Kto ma zaujem si to precita je to velmi zaujimavy clanok preco je Honda ina od inych automobiliek a tym sa stava zaujimavou a odlisnou.Ide hlavne o funkcnost VTEC-u

Pretože sa táto otázka objavuje pravidelne, pokúsil som sa spísať jednoduché a zrozumiteľné vysvetlenie pochopiteľné čo najširšiemu okruhu čitateľov. Nie som v nijakom prípade expert, ale nejaké vedomosti mám a tak sa s vami o ne podelím. Nechcem sa zamerať na technickú stránku veci, ale na objasnenie užitočnosti jednotlivých implementácií VTEC-u v Civicu 8G, t.j. čo to robí, na čo je to dobré a ako sa to prejavuje v jednotlivých modeloch. Tiež mi príde zaujímavé zasadiť popis do širšieho rámca toho, čo robia ostatné automobilky.

Musím však začať „od piky“. Ako iste viete, bežný 4-taktný motor pracuje v nasledovných fázach – sanie, kompresia, expanzia a výfuk. Pri prvej sú otvorené sacie ventily a nasáva sa zmes, potom sa zmes stlačí, zapáli a nakoniec sa otvoria ventily výfukové a spaliny sa vypustia von.

Iste je každému intuitívne zrejmé, že pre dobrú účinnosť je mimoriadne dôležité presne kedy, na ako dlho a ako veľmi sa ventily otvoria. Otváranie ventilov je bežne riešené pomocou vačiek, ktoré sa otáčajú na vačkovom hriadeli poháňanom motorom a sú tvarované tak, aby v správnej chvíli zatlačili na ventil.





Asi vás neprekvapí, že jeden tvar vačky nie je najvhodnejší pre všetky situácie. Pri vysokých otáčkach sa motor točí rýchlejšie, a tak by bolo dobré otvoriť ventily viac (t.j.s väčším zdvihom) a na dlhšiu dobu, keďže je na naplnenie a vyprázdnenie valca k dispozícii len kratší čas. Naopak je to v nízkych otáčkach. Tiež nie je optimálne otvárať ventily v rozličných situáciách v rovnakom čase. Dôležitá je napríklad doba, po ktorú sú ešte otvorené výfukové a už aj sacie, tzv. prekrytie ventilov - to sa niekedy hodí, inokedy nie.

Ak by sa podarilo optimálne plnenie, teoretický výsledok pri atmosférickom benzínovom motore by bol konštantný priebeh krútiaceho momentu v závislosti na otáčkach (až kým by sa neprejavili iné faktory). V praxi však pri štvorventilovom benzínovom motore s pevnou vačkou dostávame maximum niekde pri 4000-5000ot, nad a pod touto hranicou je postupný pokles. Rôzne motory sa môžu líšiť rýchlosťou poklesu hore a dole, prípadne môžu mať posunuté to maximum. Ak je to smerom dole, pridá to pružnosti v nízkych otáčkach na úkor výkonu vo vysokých. Naopak posunutím maxima výrazne hore by bolo možné získať vysokootáčkový motor s podstatne vyšším výkonom, avšak na úkor charakteristiky pri civilných nízkych otáčkach.


Najrozšírenejším spôsobom zmeny charakteristiky vačky je zmena časovania pomocou natáčania vačkového hriadeľa (napr. Toyota VVT-i alebo VANOS od BMW). Ak sa pozriete na animácie vyššie, tak si určite ľahko predstavíte, že ak by sa vačkový hriadeľ trochu pootočil oproti základnej polohe, tak by sa posunul čas otvorenia/zavretia ventilu. Nezmení sa dĺžka a zdvih otvorenia, ale dá sa takto doladiť časovanie a prekrytie. Základný tvar krivky krútiaceho momentu teda ostane rovnaký ako bez časovania, ale môže sa napríklad zmierniť rýchlosť poklesu v nízkych a vysokých otáčkach.



Iným prístupom je vsunutie ďalšieho členu medzi vačku a koreň ventilu, ktorým sa dá plynulo modifikovať zdvih (BMW Valvetronic, Nissan VVEL, Toyota Valvematic, Fiat Multiair). Takto sa dá ovládať množstvo nasatej zmesi namiesto škrtiacej klapky, čo o niečo znižuje straty. Tiež je možné použiť vyšší zdvih pre vyššie otáčky (resp. nepoužívať plný zdvih pre nižšie), a tým rozšíriť maximum krivky krútiaceho momentu. Ako ukazujú motory vybavené touto technológiou, umožní to získať výkon v o niečo vyšších otáčkach bez obetovania charakteristiky dole, prípade s jej vylepšením.




Honda je známa systémom VTEC, ktorý je výrazne odlišný od tých popísaných vyššie. Je zaujímavé, že aj keď viaceré automobilky následne prišli s podobnými riešeniami (Toyota VVTL-i, Mitsubishi MIVEC, Nissan VVL), postupne od nich upustili v prospech vyššie popísaných technológii. Honda naopak, ako uvidíme, implementácie VTEC-u rozvinula do podstatne väčšej šírky novými nápadmi a inováciami.

Základom je ideovo jednoduchý systém, ktorý dokáže prepínať ovládanie ventilov medzi rôznymi vačkami. Napríklad môže mať vačkový hriadeľ pre každý valec jednu vačku navyše (dvojfázový VTEC) a táto sa dá prehodiť na ovládanie jedného alebo oboch ventilov. Čiže VTEC umožňuje kompletnú zmenu profilu vačky a teda všetkých charakteristík motoru súvisiacich s časovaním, zdvihom, dĺžkou otvorenia atď. ventilu. To je bezo sporu stále najradikálnejšia zmena, ktorú akýkoľvek systém umožňuje, jeho limitáciou je, že nevie meniť charakteristiku plynule, ale iba skokovo zmenou vačky. VTEC je možné použiť na najrôznejšie účely, v súčasnosti to už nie je iba synonymum vysokootáčkového motoru ako si ľudia často predstavujú. Práve pri 8G Civicu sa používajú štyri rôzne implementácie VTEC-u, každá s podstatne odlišným spôsobom fungovania aj výsledkami, ktoré prináša. Poďme sa na nich pozrieť.

2.0 DOHC i-VTEC (K20Z4): To je klasické využitie VTEC-u, tak ako sa používa od jeho uvedenia koncom 80-tych rokov, napríklad v podobe 1.6 v Civicu VTi. Jedna sada vačiek sa používa pre nízke a stredné otáčky, druhá pre vysoké. Motor má dva vačkové hriadele (DOHC), jeden pre sacie a druhý pre výfukové ventily, VTEC je použitý na oboch. V tomto prípade sa zmena udeje pri 5400ot, keď druhá sada vačiek prevezme ovládanie všetkých sacích aj výfukových ventilov. Kým tá základná dá motoru podobný charakter ako bežné 16V motory, druhá má výrazne vyšší zdvih optimalizovaný pre vysoké otáčky (tzv. ostré vačky), podobne ako pri závodných špeciáloch. To umožňuje dosahovať otáčky nad 8000/min a na sériovú atmosféru extrémne vysoký litrový výkon cez 100k/l. Motor má potom dve tváre, civilnejšiu v nízkych až stredných a prakticky závodnú vo vysokých. VTEC je okrem toho doplnený systémom zmeny časovania ventilov pomocou natáčania vačkového hriadeľa sacích ventilov, podobným ako sú popísané vyššie (pri Honde nazvaným VTC).


1.4 SOHC i-VTEC (L13A): Pri maloobjemových ekonomicky zameraných motoroch je VTEC využitý inak. Motor má len jeden vačkový hriadeľ a VTEC je použitý iba pre sacie ventily. Pri nízkych otáčkach je jeden zo sacích ventilov fakticky deaktivovaný, má len minimálny zdvih a výsledkom je rozvírenie zmesi dané asymetrickým otváraním ventilov:


Motor sa chová odspodu podobne ako dvojventil. Dvojventilová hlava má oproti štvorventilu výhodu v nízkych otáčkach, kde je veľká plocha dvojnásobného počtu ventilov skôr na škodu. Vírenie zmesi je doplnené recirkuláciou výfukových plynov a to robí motor v tomto režime veľmi efektívnym a úsporným. Jeden sací ventil je však limitujúci pri plnej záťaži už pri pomerne nízkych otáčkach, kde nedokáže zabezpečiť optimálne plnenie. Tu VTEC zaktivuje „spiaci“ druhý sací ventil a agregát prejde do plne 16V režimu. Motor tak má dva módy, medzi ktorými VTEC prepína v závislosti na otáčkach a zaťažení.

Pri pôvodnej implementácii v 1.5 VTEC-E fungoval motor navyše v nízkych otáčkach v režime spaľovania výrazne ochudobnenej zmesi, čo ešte zlepšovalo jeho hospodárnosť. To je však problém pri sprísňujúcich sa limitoch emisií NOx a tak súčasná generácia maloobjemových SOHC motorov nemá spaľovanie chudobnej zmesi zachované.

1.3 IMA (LDA): Pri hybridných motoroch je potrebný režim, keď je spaľovací motor úplne vypnutý, aby nebrzdil pri dobíjaní batérií alebo pri pohone čisto iba elektromotorom. Nestačí však len nevstrekovať palivo, lebo spaľovací motor kladie značný odpor proti nasávaniu a vyfukovaniu vzduchu cez ventily, podobne ako keď sa snažíte dýchať cez slamku. Honda to rieši pomocou VTEC-u, ktorý je v tomto prípade trojfázový. V prvej fáze dokáže deaktivovať sacie aj výfukové ventily, tie teda zostávajú úplne uzavreté pre režim pohonu pomocou elektromotoru a v prípade dobíjania batérií pri brzdení. Druhá sada vačiek má potom menší zdvih pre nižšie otáčky, tretia vyšší zdvih pre otáčky vysoké.

1.3 IMA má dvojventilovú SOHC hlavu, 4 ventily sa tam nevojdú kvôli použitiu dvoch zapaľovacích sviečok na valec (i-DSI), implementovaným kvôli úspore paliva. VTEC v tomto prípade zabezpečuje nielen uzavretie oboch ventilov vo fáze prvej, ale na 8V motor aj nezvykle točivý motor s vysokým litrovým výkonom vo fáze tretej (95k z 1.3). Celý systém je pekne prezentovaný v tomto videu. Je zaujímavé, že Honda sa v novom Insighte rozhodla tretiu fázu nepoužiť, motor tým stratil 8% výkonu a spolu so slabším elektromotorom to tvorí oproti Civicu určitý krok späť.

1.8 i-VTEC (R18A): 1.8 som si nechal nakoniec, pretože je v istom zmysle najexotickejší a pre jeho pochopenie je potrebný malý úvod. Už sme narazili na to, že motor kladie odpor voči nasávaniu a vyfukovaniu vzduchu cez ventily. Tento odpor sa ešte značne zvýši, pokiaľ je uzavretá škrtiaca klapka v sacom potrubí, ktorou sa ovládajú bežné benzínové agregáty. Každý z nás to pozná ako brzdenie motorom. Takže napríklad pri pomalej plynulej jazde, keď človek len hladí plynový pedál, účinnosť konvenčného benzínového motora nie je bohvieaká, keďže je takto škrtený privretou škrtiacou klapkou.

Toto je popri vyššej účinnosti celého spaľovacieho cyklu druhá hlavná príčina nižšej spotreby naftových motorov, ktoré sú ovládané nie obmedzením objemu nasatého vzduchu, ale množstvom vstreknutého paliva. Principiálne riešenie je u benzínu analogické – priame vstrekovanie a spaľovanie vrstvenej chudobnej zmesi. Lenže chudobná zmes, teda prebytok vzduchu a málo paliva, prináša svoje problémy – prebytočný kyslík má pri dostatočnej teplote tendenciu spaľovať dusík voľne prístupný vo vzduchu a vznikajú tak emisie NOx. Tie sú pre benzínové motory podstatne prísnejšie ako pre naftové, a to bráni rozsiahlejšiemu uplatneniu tejto technológie. Existujú špeciálne katalyzátory, ale vyžadujú odsírené palivo, v Európe bežne nedostupné. Pritom už v 90-tych rokoch Mitsubishi využívalo tento prístup vo svojich GDI motoroch, postupne ich však pre problémy vypustilo. Dnešné benzínové motory s priamym vstrekovaním preto využívajú spaľovanie chudobnej zmesi iba v obmedzenej miere. Jedinou výnimkou sa v súčasnosti zdá byť BMW, ich posledná generácia benzínových atmosfér s priamym vstrekom dosahuje, aspoň papierovo, pôsobivo nízku spotrebu.

Väčšina automobiliek sa rozhodla tento problém riešiť maloobjemovými preplňovanými motormi (downsizing). Pri menšom objeme motora je totiž pre rovnaký výkon potrebné škrtiacu klapku otvoriť viac, a tak je cyklus účinnejší. Toto je základný dôvod prečo pri benzínových motoroch platí jednoduchá úmera - čím menší motor, tým nižšia spotreba. Všimnite si, že pri dieseloch to zďaleka nie je také jednoznačné. Honda sa rozhodla, ako je pre ňu typické, pre vlastné riešenie.

Tým je netradičné využitie tzv. Atkinsonovho cyklu. Základná myšlienka spočíva v tom, že sa sací ventil ponechá otvorený aj potom, čo sa piest začína vracať nahor po dolnej úvrati. To vedie k vytlačeniu časti už nasatej zmesi z valca naspäť von do sacieho potrubia. Až následne sa sací ventil uzavrie. Po saní teda nasleduje „výtlak“ a až potom kompresia. Motor sa fakticky chová akoby mal nižší zdvihový objem, kompresný a expanzný pomer sú odlišné. Výhodou je lepšia účinnosť a nižšia spotreba paliva, obyčajne dosahovaná vyšším nominálnym kompresným pomerom. V prípade Civicu to však tak nie je a základný zmysel je iný, tým je práve „emulácia“ motora s nižším zdvihovým objemom. Základnou nevýhodou Atkinsonovho cyklu je nízky litrový výkon (napr. 99k z 1.8 v novej Toyote Prius), preto sa buď kombinuje s elektromotorom (hybridy) alebo doplňuje turbodúchadlom (Millerov cyklus, legendárna 2.3 v Mazde Xedos 9). Honda má opäť odlišnú odpoveď a tá sa volá VTEC.

VTEC alternuje pre jeden zo sacích ventilov dve vačky, jednu bežnú a druhú s extrémne dlhým časom otvorenia ventilu.



Takto sa v reálnom čase podľa okolností prepína medzi bežným Ottovým a exotickým Atkinsonovým cyklom. Problém nízkeho výkonu Atkinsona sa teda rieši tým, že sa zapne Otto. Motor sa tak pri výraznejšie pridanom plyne alebo vyšších otáčkach chová ako akýkoľvek iný bežný atmosférický 16V motor. Akonáhle sú však podmienky priaznivé, teda málo plynu a nízke otáčky, zapne sa VTEC a motor funguje v úspornom režime na ekonomickú vačku. Kompresný pomer sa zníži a elektronický plyn otvorí škrtiacu klapku bez toho, aby si vodič čokoľvek všimol. Oblasť fungovania ekonomického režimu je medzi 1000-3500ot:



Pri 1.8 teda VTEC nemá za úlohu zvyšovať výkon alebo otáčky, ale usporiť palivo. Keď zrýchľujete na plný plyn od nízkych otáčok, nikde nedôjde k prepnutiu VTEC-u, ten sa zapne akonáhle plyn uberiete. Na svoju kubatúru nadpriemerný výkon a pružnosť dosahuje 1.8 variabilným sacím potrubím, nízkym trením a ľahkou konštrukciou, nie zmenou časovania alebo zdvihu ventilov. Celé fungovanie systému, spolu s ďalšími inováciami použitými v tomto motore je možné si pozrieť v tomto názornom prezentačnom videu.