Değişken Valf Zamanlaması ve VTEC Motorları Nasıl Çalışır?

Eskiden, bir arabanın emme ve egzoz valfleri, dört zamanlı çevrimde belirli bir noktada ve belirli bir süre için belirli bir miktarda açılırdı. Bu kadar basitti. Ancak günümüzde, birçok motor yalnızca valflerinin ne zaman açılacağını değil, aynı zamanda ne kadar ve ne kadar süreyle açılacağını da değiştirebiliyor – yani, yeni arabalar valf zamanlamasını, valf kaldırmasını ve valf süresini değiştirebiliyor. Değişken valf zamanlamasının (VVT) nasıl çalıştığına bir göz atalım.

Birçoğunuz için bu bir inceleme, ancak yeni nesil araba tutkunlarının arabaları önemsemesini istiyorsak, işlerin gerçekte nasıl çalıştığını açıklamaktan zarar gelmez.

Değişken supap zamanlaması

Tipik bir motorun emme ve egzoz valfleri, bir eksantrik mili üzerindeki loblar aracılığıyla açılır. Üstten çift kamlı motorlarda, egzoz valfleri ve emme valfleri için ayrı eksantrik milleri vardır. Bu eksantrik milleri, sertleştirilmiş demir veya çelikten yapılmıştır ve triger kayışları, zincirler veya dişliler aracılığıyla krank miline bağlanır. Modern benzinli motorlar dört zamanlı çevrimi içerdiğinden, bu, eksantrik millerinin her iki krank mili dönüşü için bir kez döndüğü anlamına gelir.

Bu noktayı güçlendirmek için, bir motorun emme strokunu düşünün. Emme valfi açık, yani eksantrik mili lobu kam izleyiciye doğru itiyor ve valfi açıyor. Bu kam lobunun hareketini izleyelim ve krank milinin hareketiyle karşılaştıralım.

Emme valfi açıkken, piston alt ölü noktaya doğru aşağı doğru hareket eder. Motor alt ölü noktaya ulaştığında, krank mili 180 derece dönmüştür. Daha sonra piston, yakıt karışımını sıkıştırmak için yukarı hareket eder. Piston üst ölü noktaya ulaştığında, krank mili tam dönüş yapmıştır.

Daha sonra, buji yakıt karışımını ateşleyerek pistonu alt ölü noktaya geri gönderir. Bu noktada, krank mili bir buçuk tam dönüş yapmıştır. Egzoz valfi açılır ve piston üst ölü noktaya geri döner. Krank mili şimdi iki tam tur dönmüştür.

Bu piston yaklaşık olarak üst ölü noktadayken, izlediğimiz eksantrik mili lobu geri gelir ve giriş valfini açar ve piston aşağı doğru hareket eder. Böylece krank milinin iki dönüşünden sonra eksantrik mili bir kez dönmüştür.

Farklı… Motorlar için Farklı Vuruşlar

1960’larda otomobil üreticileri, emme ve egzoz valflerinin 4 zamanlı bir döngüde daha önce veya daha sonra açılmasına izin veren değişken valf zamanlama sistemleri geliştirmeye başladı. Amaç, hacimsel verimliliği artırmak, NOx emisyonlarını azaltmak ve pompalama kayıplarını azaltmaktı.

Bugün, iki ana değişken valf zamanlaması türü vardır: kam fazı ve kam değişimi. Kam değişiminde, motor kontrol ünitesi (ECU) motor yüküne ve hızına bağlı olarak farklı bir kam profili seçer, kam fazlamada ise bir aktüatör faz açısını değiştirerek eksantrik milini döndürür. Valf zamanlamasını, kaldırmasını ve süresini değiştirmenin düzinelerce yolu var, bu yüzden sadece Toyota’nın VVT-i’sine ve Honda’nın VTEC’sine bakacağız.

VVT-i’ye bakmadan önce kısaca sensörlerden bahsedelim. VVT sistemleri her türlü sensörü kullanır, ancak en önemlileri eksantrik mili ve krank mili konum sensörleridir (bunlar genellikle hall etkisi sensörleridir). ECU, pistonun konumu ile valflerin konumları arasındaki ilişkiyi izlemek için bu sensörleri kullanır. Krank mili, çubuğa ve pistona bağlıdır ve eksantrik milinin lobları, valf kaldırma olaylarını tetikler. Böylece ECU, krank mili ve eksantrik mili konum sensörlerinden gelen bilgilerle motorun ne kadar hızlı döndüğünü ve piston ile emme ve egzoz valflerinin göreceli konumlarını öğrenebilir.

Kam Aşaması

Kam fazı, eksantrik milini tipik olarak krank mili açısına göre yaklaşık 60 derecelik bir aralıkta döndürerek valf kaldırma olaylarını ilerletir veya geciktirir. Diyelim ki giriş valfimiz normalde krank mili üst ölü noktasından 5 derece önce açılıyor ve üst ölü noktadan sonra (alt ölü noktadan 5 derece sonra) 185 krank mili derecesi kapatıyor. Valf zamanlamasının 10 derece “geciktirilmesi”, valfin 10 derece sonra açılıp kapandığı, yani üst ölü noktadan 5 derece sonra açılıp üst ölü noktadan sonra 195 derece kapandığı anlamına gelir. Eksantrik milinin zamanlamasını geciktirerek, motor daha iyi yüksek RPM torku elde ederken emme eksantrik milinin zamanlamasını ilerletmek düşük RPM’de daha iyi güç üretir.

Valf zamanlamasını değiştirmek için kullanılan çok sayıda farklı metodoloji vardır. Her üreticinin kendi VVT sistemi için kendi adı vardır. Toyota VVT-i® kullanıyor, Honda VTEC® kullanıyor, Mitsubishi MIVEC® kullanıyor ve liste uzayıp gidiyor. Toyota’nın VVT-i sisteminin nasıl çalıştığını görelim.

Yukarıdaki videoda gösterilen VVT sistemi, Toyota’nın VVT-i’sinin bir varyasyonudur, ancak Honda’nın VTC adlı benzer bir sistemi vardır. Bu sistemde ECU, eksantrik mili konum sensöründen, krank mili sensöründen, yağ sıcaklık sensöründen, kütle hava akış sensöründen (MAF) ve motor soğutma suyu sıcaklık sensöründen sinyaller alır ve bu bilgileri bir yağ kontrol valfine giden çıkış sinyalini ayarlamak için kullanır. Bu valf, bir zamanlama zinciri aracılığıyla krank miline bağlı bir mahfaza içinde (eksantrik miline bağlı) bir rotoru döndüren bir hidrolik aktüatör görevi görür. ECU kam faz açısını değiştirdiğinde, ECU tüm sensörlerden girdi almaya devam eder ve sürekli olarak rotora giden yağ beslemesini ayarlar.

Beğenmek elektronik gaz kelebeği kontrolü, bu kapalı çevrim bir sistemdir, yani mevcut eksantrik mili faz açısı ile optimum eksantrik mili açısı arasındaki fark, ECU’ya gönderilen “hata sinyali”dir. Bilgisayar, eksantrik mili faz açısını olması gereken yere getirmek için aktüatöre çıkışını ayarlamak için hata sinyalini kullanır.

Kam Değiştirme

Diğer VVT sistemleri, yalnızca krank miline göre eksantrik mili faz açısını değil, eksantrik mili loblarının şeklini değiştirir. Kam profilinin değiştirilmesi yalnızca valf kaldırmasını (valfin ne kadar açılacağını) değil, aynı zamanda valf süresini de (valfin ne kadar süre açık kalacağını) etkiler. Yukarıdaki görüntü, valf kaldırma ve süresini etkileyen bir eksantrik mili lobunun özelliklerini göstermektedir.

Daha yüksek motor hızlarında, birçok VVT sistemi daha agresif (yani yüksek kaldırma ve uzun süreli) kam lobu profillerine geçer. Bazı değişken valf kaldırma sistemleri, eksantrik milini eksenel olarak kaydırır, böylece daha yüksek profilli bir lob kam takipçisine geçerek daha fazla valf kaldırması sağlar. Honda’nın VTEC (yo) gibi diğerleri, hidrolik olarak çalıştırılan bir pim aracılığıyla yüksek profilli bir külbütör kolunu düşük hızlı külbütör kollarına kilitler. Daha agresif bir kam lobu, bu yüksek profilli külbütör kolunu harekete geçirir ve giriş valfine daha fazla kaldırma sağlayarak silindire daha fazla hava girmesini sağlar.

Görselliğe daha yatkın okuyucularımız için Engineering Açıklaması, Honda’nın VTEC sisteminin nasıl çalıştığına dair harika bir döküm sunuyor.