Układy zmiennych faz rozrządu – jak działają, które sprawiają problemy?

Układ rozrządu – w sumie prosta sprawa. Za pomocą jakiegoś mechanizmu trzeba sprawić, by zawory dolotowe i wydechowe silnika czterosuwowego otwierały się i zamykały w odpowiednim momencie względem ruchu tłoka w cylindrze. W większości przypadków osiąga się to przez połączenie paskiem lub łańcuchem wału korbowego ze sterującymi pracą zaworów wałkami rozrządu.

Takie sztywne połączenie nie jest jednak optymalne – w zależności od obciążenia silnika czy prędkości obrotowej moment otwierania i zamykania zaworów (a także wysokość, na jaką się przesuną, czyli ich wznios) powinny się zmieniać. I tu dochodzimy do układów zmiany faz rozrządu, niemal powszechnych w nowoczesnych jednostkach.

Różne rozwiązania rozrządu

Ogólnie wyróżnić można dwa sposoby osiągnięcia takiego rezultatu – przez obrót wałka rozrządu względem koła zębatego, na które trafia napęd z wału korbowego silnika lub przez przełączanie pomiędzy krzywkami o różnym profilu. Ten drugi system umożliwia właśnie zmianę wzniosu zaworów. Powstały też konstrukcje, które łączą obie te funkcje, szczegóły dotyczące najpopularniejszych systemów tego typu – poniżej. Ale jak każdy dodatkowy mechanizm, często powoduje to zwiększone ryzyko awarii.

Popularne systemy zmiany faz rozrządu

VTEC – Honda

Japoński producent pracował nad rozwiązaniami, które pozwalałyby na uzyskanie mocy rzędu 100 KM z litra pojemności skokowej w silniku, który nadawałby się do zwykłego użytkowania. Sposobem stał się świetnie znany układ VTEC, przełączający fazy rozrządu.

• Jak to działa
  Krzywki na wałku rozrządu mają różne profile, mechanizm dźwigienkowy ze sworzniami pozwala na przełączanie na agresywny profil z większym wzniosem zaworów na wysokich obrotach, a w nowszych rozwiązaniach także na odłączanie zaworów.
• Problemy
  Zasadniczo system bezawaryjny, jego zużycie przyspiesza niski poziom oleju.

VVT-i – Toyota

Układ pozwala na korygowanie momentu, w którym zawory są otwierane i zamykane, ale bez wpływu na ich wznios czy czas otwarcia.

• Jak to działa
  System pozwala na obrót wałka rozrządu względem koła zębatego, które go porusza (stosowane są siłowniki hydrauliczne lub elektryczne).
• Problemy
  Mechanizm zmiany faz rozrządu VVT-i rzadko przysparza problemów. Mające go silniki jednak zwykle zużywały dużo oleju – to jednak problem niezwiązany z układem rozrządu.

Valvematic – Toyota

System płynnej zmiany wzniosu zaworów, a nie tylko przesuwania ich faz jak w układzie VVT-i.

• Jak to działa
  Krzywka wałka rozrządu poprzez ramię porusza wałek pośredni, na którym zamontowana jest kolejna krzywka, poruszająca się wahliwie. Regulację wzniosu zaworów osiąga się dzięki zmianie położenia kątowego między wahliwą krzywką a ramieniem napędzającym.
• Problemy
  Silniki z Valvematic mają swoje problemy (awarie pompy wody, falujące obroty), ale nie jest to wina układu.

Vanos – BMW

Variable Nockenwellensteuerung to system zmiennych faz rozrządu opracowany przez BMW – w pierwszym wydaniu tylko dla części dolotowej, w układzie Double Vanos korekta obejmowała też stronę wylotową.

• Jak to działa
  Klasyczny system zmiany momentu otwierania i zamykania zaworów, układem hydraulicznym wymuszający zmianę położenia kątowego wałka(-ów) względem kół zębatych, w zależności od warunków jazdy.
• Problemy
  Starzenie gumy powoduje uszkodzenie uszczelek w zaworach hydraulicznych, bywają też problemy z łożyskami i tłoczkami, co powoduje blokowanie się mechanizmów. Objawy to nierówna praca silnika i brak osiągów.

Valvetronic – BMW

Pierwszy – z roku 2001 – system bezstopniowej zmiany wzniosu zaworów wprowadzony do sprzedaży. Uzupełniony o Vanos.

• Jak to działa
  Krzywka wałka rozrządu porusza zamontowaną wahliwie dźwignię pośrednią – z jednej strony opartą o normalną dźwigienkę zaworową, a z drugiej o zamontowany mimośrodowo wałek. Jego obrót zmienia punkt podparcia dźwigienki, co zmienia wznios zaworów i daje możliwość korekty ich fazy.
• Problemy
  Problemy z montażem LPG (brak podciśnienia w dolocie), ogólne zużycie zębatek, dźwigienek, silniczków itp.

Vario Cam – Porsche

System wprowadzony pierwotnie do modelu 968 w 1992 roku, później trafił praktycznie do wszystkich silników produkowanych przez Porsche.

• Jak to działa
  W najstarszym wydaniu Vario Cam był układem zmiany faz rozrządu regulowanym torem prowadzenia łańcucha. Vario Cam Plus to system klasycznej zmiany faz rozrządu za pomocą siłownika hydraulicznego na wałku, uzupełniony o krzywki z różnymi profilami (tryb sportowy lub miejski), które przełączane są przez trzpień wysuwany z popychacza.
• Problemy
  W wielu jednostkach z systemem Vario Cam dochodzi do przedwczesnego zużycia ślizgaczy łańcucha rozrządu i napinaczy. Prowadzi to często do zniszczenia silnika.

Valvelift – Audi

Jeszcze inny sposób na zmianę faz rozrządu poprzez przełączanie profilu krzywek na najbardziej pasujący do aktualnych potrzeb.

• Jak to działa
  Każdy zawór dolotowy (w nowszych wersjach także wylotowy) może być poruszany za pomocą jednego z dwóch zestawów krzywek o różnym wzniosie i czasach otwarcia (sport lub eco). Krzywki umieszone są na przesuwnej po wielowypuście tulei. Przesuwane są lewo-prawo przez wysuwane elektromagnetycznie trzpienie i blokowane mechanizmem sprężynowym.
• Problemy
  Niestety nastawniki systemu często odmawiają posłuszeństwa, a na każdy cylinder przypadają po dwa takie elementy.

MultiAir – Fiat, Alfa Romeo

Włoski system ma najszersze z opisywanych tu możliwości – teoretycznie pozwala nawet na dwukrotne otwarcie zaworu dolotowego w ciągu jednego cyklu pracy.

• Jak to działa
  Krzywka strony dolotowej naciska poprzez mechanizm na tłoczek wypychający olej. Normalnie olej ten wywiera nacisk na siłownik zaworu dolotowego, ale w układzie umieszczony jest elektrozawór, co pozwala na dość swobodne modelowanie krzywej wzniosu zaworów.
• Problemy
  Moduły MultiAir okazały się zawodne, zwykle z uwagi na niedostateczny przepływ oleju w elektrozaworach.

PODSUMOWANIE

Klasyczne systemy zmiany faz rozrządu – czy to przełączające krzywki, czy też pozwalające na obrót wałka względem napędzającego go koła zębatego – poza nielicznymi wyjątkami (np. wariatory w Alfach Romeo) nie przysparzają problemów. Komplikacja układu sprzyja jednak zwiększonej usterkowości, zwłaszcza gdy silniki nie są należycie serwisowane i mają rzadko wymieniany olej.