Tune it: Μεταβλητός Χρονισμός

Παρότι εδώ και δεκαετίες, οι σχολές της αυτοκίνησης, τσακώνονται, για το ποιος παρουσίασε πρώτος τον μεταβλητό χρονισμό, όλοι γνωρίζουν ότι φορέθηκε πρώτα σε μοντέλο της Alfa Romeo και πιο συγκεκριμένα στην Alfa 75 2.0 Twin Spark. Ο μεταβλητός χρονισμός είναι το κατ’ εξοχήν σύστημα για την αύξηση της απόδοσης στις χαμηλές στροφές, αλλά και για τη μείωση των ρύπων ταυτόχρονα. Οι περισσότερες εφαρμογές της τεχνικής αυτής έχουν να κάνουν με την αλλαγή χρονισμού μόνο στον εκκεντροφόρο εισαγωγής, αν και άλλοι, όπως η BMW, προχώρησαν ακόμα πιο πέρα με το σύστημα VANOS, που διαχειρίζεται και τους δύο εκκεντροφόρους με ακόμα καλύτερα αποτελέσματα στη συνολική καμπύλη ισχύος του μοτέρ, με πιο λαμπρό παράδειγμα τις εκπληκτικές γενιές των εξακύλινδρων Μ3 και όχι μόνο. Στην περίπτωση της Alfa 75, ο εκκεντροφόρος εισαγωγής είχε δύο θέσεις με διαφορά 32⁰ η μία από την άλλη! Η συνολική διάρκεια εισαγωγής είναι 300⁰ -πολύ μεγάλη για μοτέρ παραγωγής- αλλά με τη βοήθεια του μεταβλητού, δεν είχε κανένα παρατράγουδο και δούλευε παντού τέλεια, μιλάμε για 2βάλβιδο μοτέρ του 1985, 31 χρόνια πίσω! Το VANOS της BMW άφησε εποχή και πρωτοπαρουσιάστηκε το 1992 μόνο στον εκκεντροφόρο εισαγωγής, ενώ το διπλό και εξελιγμένο -σε λειτουργία- σύστημα εμφανίστηκε στην παραγωγή το 1997. Για να κάνουμε και λίγο φροντιστήριο Γερμανικά (λέτε να ξανάρθουν?), VANOS σημαίνει Variable Nockenwellensteuerung – όχι, παίζουμε! Στις χαμηλές στροφές, ο εκκεντροφόρος μετακινείται, ώστε να ανοίγουν αργότερα οι βαλβίδες εισαγωγής, για καλύτερο ρελαντί και ομαλή πρόοδο στο δρόμο. Με την άνοδο των στροφών, επιταχύνεται το άνοιγμα των βαλβίδων αυξάνοντας τη ροπή και μειώνοντας κατανάλωση και ρύπους. Στις μεγάλες στροφές και φορτίο, οι βαλβίδες αργοπορούν πάλι για να εκμεταλλευθούμε τα κυματικά/αδρανειακά φαινόμενα. Αυτά για το μονό VANOS. Το διπλό σύστημα ελέγχει και τον εκκεντροφόρο εξαγωγής, βοηθώντας στη μείωση των ρύπων και στη μείωση της κατανάλωσης. Μπορεί, προσωπικά, να μην είμαι BMWδάκιας, αλλά πιστεύω ότι αυτό το εξαίρετο σύστημα αποτέλεσε σημαντικό κίνητρο για την υπόλοιπη βιομηχανία για παρόμοιες έρευνες και υλοποιήσεις. Ο μηχανισμός ενεργοποίησης για τη μετακίνηση του εκκεντροφόρου είναι -σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις -ηλεκτρο-υδραυλικός. Μία εντολή από τον εγκέφαλο ενεργοποιεί μία ηλεκτροβαλβίδα (solenoid), η οποία ανοίγει μία μικρή δίοδο στο κύκλωμα του λαδιού. Η πίεση του λαδιού, που περνάει από την ανοιχτή πλέον δίοδο, υποχρεώνει τον εσωτερικό μηχανισμό του εκκεντροφόρου να ολισθήσει σε ένα ελικοειδές γρανάζι, αλλάζοντας έτσι τη σχετική του θέση με την καδένα (ή το λουρί). Η κίνηση αυτή του εκκεντροφόρου έχει σαν αποτέλεσμα τη μετακίνηση της πιο σημαντικής παραμέτρου στον όλο κύκλο του χρονισμού, το σημείο, δηλαδή, που κλείνει η βαλβίδα εισαγωγής. Σε ό,τι αφορά τη ροπή και τους ρύπους, η αυξομείωση -με τον τρόπο αυτό- του ταυτόχρονου ανοίγματος των βαλβίδων έχει ανάλογα αποτελέσματα, μειώνοντας την κατανάλωση και την ποσότητα του άκαυτου μείγματος, που δραπετεύει προς την εξάτμιση.

Τα πρώτα συστήματα προέβλεπαν μόνο δύο θέσεις του εκκεντροφόρου, όπως είδαμε στην Alfa 75 TS, σε ένα από τα δύο άκρα της διαδρομής του μηχανισμού. Αν και αυτό είχε πολύ καλά αποτελέσματα, οι επόμενες προσπάθειες βελτίωσαν πολύ τα πράγματα, έχοντας τη δυνατότητα συνεχούς μεταβολής της θέσης του ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας. Η απλή ηλεκτροβαλβίδα, που διαβάσαμε, έδωσε τη θέση της σε ένα πιο εξελιγμένο μηχανισμό, ο οποίος ανταποκρίνεται πλέον σε ψηφιακό παλμό PWM (Pulse Width Modulation = παλμό με διαμόρφωση πλάτους) και είναι σε θέση να ελέγχει την παροχή και διαφυγή λαδιού στο μηχανισμό του εκκεντροφόρου. Η συνεχής αλλαγή της θέσης του γίνεται, αφού ληφθούν οι εξής πληροφορίες παραμέτρων στον εγκέφαλο:

Στροφές

Φορτίο (γωνία πεταλούδας – αν υπάρχει)

Υποπίεση στην πολλαπλή εισαγωγής

Θερμοκρασία λαδιού/ιξώδες

- Ο χρονισμός, κατά την εκκίνηση ή στο ρελαντί, ρυθμίζεται, ώστε να υπάρχει η μέγιστη καθυστέρηση στο άνοιγμα της βαλβίδας εισαγωγής, πράγμα που σημαίνει ελάχιστο ταυτόχρονο άνοιγμα βαλβίδων (overlap), πολύ σταθερό ρελαντί, μικρότερη κατανάλωση και τους λιγότερο δυνατόν ρύπους. Προσέξτε, στο σύστημα, που μεταβάλλει μόνο τη θέση του εκκεντροφόρου, η διάρκεια (σε μοίρες) της εισαγωγής είναι αμετάβλητη.

- Με ελαφρύ φορτίο, δίνει κάποια μικρή προπορεία στην εισαγωγή.

- Στο μέσο φορτίο, αυξάνεται λίγο το ταυτόχρονο άνοιγμα.

- Στις χαμηλο-μεσαίες στροφές, αλλά με αρκετό φορτίο, περνάμε στο μέγιστο ταυτόχρονο άνοιγμα για να ανεβάσουμε την ογκομετρική απόδοση.

- Στις μεσαίες/ψηλές στροφές και μεγάλο φορτίο, καθυστερεί το κλείσιμο της βαλβίδας εισαγωγής (μικραίνει επομένως το overlap) για να εκμεταλλευτούμε φαινόμενα αδρανείας στην πλήρωση του κυλίνδρου.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτά, που μόλις διαβάσατε, συμβαίνουν σε ένα μέγιστο τόξο μεταβολής περίπου 20-25⁰. Στο ρελαντί, μη σας κάνει εντύπωση, αν δείτε χρονισμό με τη βαλβίδα εισαγωγής να ανοίγει ακόμα και στο ΑΝΣ και να κλείνει στις 90-95⁰ μετά το ΚΝΣ. Στο άλλο άκρο, βλέπουμε να ανοίγει στις 15-20⁰ προ του ΑΝΣ και να κλείνει στις 75-80⁰ μετά το ΚΝΣ. Όσο καλά και να είναι τα αποτελέσματα με αυτά τα συστήματα, στα μοτέρ για αγωνιστική χρήση τα …ξηλώνουν. Οι λόγοι είναι κυρίως δύο, τα μεγάλα βυθίσματα των βαλβίδων σε τέτοιες εφαρμογές και η αδιαφορία για τη συμπεριφορά του μοτέρ στο …ρελαντί και κατά το παρκάρισμα! Ο δεύτερος, βέβαια, λόγος δεν χρειάζεται καν συζήτηση, αφού η απόσταση των βαλβίδων από το έμβολο είναι τόσο μικρή, οπότε κάθε σκέψη για μετακίνηση του χρονισμού είναι απλά ανέφικτη και σημασία έχει η βέλτιστη λειτουργία από τις 4.000rpm έως τις 8.000+rpm.

Συστήματα Valvetronic, Valvematic κλπ.

Στη συνεχιζόμενη προσπάθεια να αυξηθεί η ογκομετρική απόδοση και να μειωθούν οι εκπεμπόμενοι ρύποι των αυτοκινήτων, επικρατούσε για καιρό ένας άτυπος ανταγωνισμός των κατασκευαστών -ακόμα και των aftermarket- για συστήματα, όχι μόνο αλλαγής χρονισμού, αλλά και μεταβολής του βυθίσματος των βαλβίδων εισαγωγής. Ο κάθε σχεδιαστής παρουσίασε τη λιγότερο ή περισσότερο πολύπλοκη πρότασή του, προσδίδοντάς της και το όνομα, που πίστευε ότι την περιγράφει πληρέστερα. Όλες αυτές οι προσπάθειες εντάσσονται στο κεφάλαιο της τεχνολογίας με τίτλο CVVL (Continuously Variable Valve Lift). Μία σημαντική προπορεία στο θέμα του μεταβλητού βυθίσματος -αν και όχι στη λογική του CVVL- έχει φυσικά η Honda με το VTEC, το οποίο άλλαζε σε …μπαμπούλες έκκεντρα στις υψηλές στροφές και μεταμορφωνόταν η απόδοση του αυτοκινήτου. Εδώ, όμως, είχαμε ένα «σκαλοπάτι» από σβέλτο σε σφεντόνα. Ο κόσμος της τεχνολογίας προχωρούσε ακάθεκτος και …γεννούσε.  Έτσι, έσκασαν το Valvetronic από τη BMW και έπειτα τον όμιλο PSA, το Valvematic της Toyota, Valvelift από την Audi κλπ. Σε πολλά από αυτά τα συστήματα, μας περισσεύει και η πεταλούδα πλέον, αφού τη δουλειά ελέγχου του εισαγόμενου αέρα την κάνουν οι βαλβίδες, με μεταβλητά τη διάρκεια και το βύθισμα. Στο ρελαντί, δηλαδή, μόλις που ανοίγουν, ενώ στο μεγάλο ζόρι παίζουν στο μεγάλο βύθισμα και στη μεγαλύτερη διάρκεια. Το κέρδος εδώ είναι πολλαπλό, διότι με το πολύ μικρό βύθισμα στο ρελαντί αυξάνεται πολύ η ταχύτητα του εισερχόμενου -στο θάλαμο- μείγματος, οπότε βελτιώνεται κατά πολύ και η ανάδευση, με άριστα αποτελέσματα στην οικονομία και στον περιορισμό των ρύπων! Βλέπετε, ενώ κάποτε μιλούσαμε μόνο για άλογα, εδώ και μερικές δεκαετίες έχει γίνει αναπόσπαστο κομμάτι της κουβέντας η μείωση των ρύπων…

Με το Valvetronic, που εμφανίσθηκε το 2001 στην 316ti, το βύθισμα και η διάρκεια των βαλβίδων μεταβάλλεται συνεχώς και γραμμικά από 0.18-9.9mm. Λειτουργεί παράλληλα και ανεξάρτητα από το διπλό VANOS, το οποίο διαρκώς μεταβάλλει το χρονισμό εισαγωγής/εξαγωγής. Και φυσικά…NO Petalouda! Ο μηχανισμός είναι κάπως πολύπλοκος μαζί με το ηλεκτρικό μοτεράκι, τα έκκεντρα και τους μοχλούς, που διαθέτει και αξίζει να αναφέρω ότι ο στόχος εξέλιξης δεν ήταν η ισχύς, αλλά η μικρότερη κατανάλωση, η οποία και μειώθηκε κατά 10%! Η Toyota (Τουότα για το φίλο μου το Θύμιο απ’ το Μπύθουλα) παρουσίασε το Valvematic, το 2007 και πρόκειται για κάτι παραπλήσιο του Valvetronic, αλλά πιο απλό τεχνικά. Υποθέτω ότι είχαν αρκετό χρόνο να μελετήσουν σε βάθος το Valvetronic και βρήκαν τρόπους να το βελτιώσουν, έτσι ώστε να κερδίσουν μέχρι 10% σε οικονομία καυσίμου, αλλά και άλλα 10% σε ισχύ! Το βύθισμα των βαλβίδων εισαγωγής παίζει από 0.9-11mm, το δε ύψος της κεφαλής δεν χρειάσθηκε να αυξηθεί -όπως έγινε στην BMW- λόγω της πιο πρακτικής διάταξης. To Audi Valvelift είναι μηχανισμός σχετικά απλούστερος από τους πιο πάνω και δίνει βυθίσματα βαλβίδων σε τρία στάδια: 2mm, 5 και 11mm. Οι στροφές αλλαγής είναι ανάλογες με τις συνθήκες μεταξύ 700 και 4000rpm και η αλλαγή από το ένα βύθισμα στο άλλο συντελείται σε μόλις δύο στροφές του στροφάλου, δηλαδή σε περίπου 2 εκατοστά του δευτερολέπτου! Το περίεργο είναι ότι σε 4κύλινδρα μοτέρ (τελευταία γενιά 2.0 TFSI), η αλλαγή βυθίσματος αφορά τον εκκεντροφόρο εξαγωγής, ενώ στα 6κύλινδρα, τον εκκεντροφόρο εισαγωγής/εξαγωγής.         

Σύστημα Multiair

Η προσέγγιση της Fiat στο θέμα του μεταβλητού χρονισμού είναι βεβαίως μία πολύ ενδιαφέρουσα εξέλιξη του δικού της Multijet, σε συνδυασμό με καινοτόμες τεχνολογίες στα υδραυλικά ωστήρια και παρουσιάσθηκε στη Γενεύη το 2009 με το Alfa Romeo Mito 1.4. Τα αποτελέσματα της χρήσης του συστήματος είναι περίπου 10% οικονομία και άλλο τόσο αύξηση ισχύος συγκριτικά με άλλον ίδιο κινητήρα χωρίς Multiair. Ισχυρό σημείο του συστήματος είναι η …απλότητά του. Κάνει την ίδια δουλειά με το Valvetronic, μόνο που χρησιμοποιεί υδραυλικό υγρό, που κυκλοφορεί σε ωστήρια και έκκεντρα. Η κυκλοφορία του υγρού ελέγχεται και διαμορφώνεται από ηλεκτροβαλβίδα. Όταν η ηλεκτροβαλβίδα είναι κλειστή, το ασυμπίεστο υγρό μεταφέρει την κίνηση του έκκεντρου στη βαλβίδα ως έχει, δηλαδή, άμεσα. Όταν ανοίξει η ηλεκτροβαλβίδα, αρχίζει και το πανηγύρι του μεταβλητού χρονισμού. Ο εκκεντροφόρος έχει τρία έκκεντρα, δύο εξαγωγής και ένα μεγάλο εισαγωγής. Το πρόγραμμα ενεργοποίησης της ηλεκτροβαλβίδας έχει σαν αποτέλεσμα το έκκεντρο αυτό να «χρησιμοποιείται» σε διαφορετικό βαθμό ανάλογα με τις απαιτήσεις του μοτέρ. Όπως και με όλα τα παρόμοια συστήματα, χρειάσθηκαν κυριολεκτικά χρόνια για να τελειοποιηθεί το τελικό πρόγραμμα, αλλά το αποτέλεσμα φαίνεται να δικαίωσε το Gruppo. Αν καταφέρει το Multiair να πλασαριστεί και στους αγώνες, θα είναι μία μεγάλη νίκη για τους μηχανικούς, που πρέπει να το κάνουν πιο γρήγορο και πιο ευέλικτο για τη συγκεκριμένη χρήση. Είναι βέβαιο ότι δεν έχουμε δει ακόμα όλες τις δυνατότητες, που έχει αυτό το …παιχνίδι, που όλο και πιο μακριά μας πάει από εκεί, που μάθαμε! Εμείς και μαζί οι περισσότεροι επιστήμονες, μεγαλώσαμε με ντίζες, πεταλούδες, κοκκοράκια, οι πιο παλιοί με ντιστριμπιτέρ και πλατίνες…. Αρχαίο πνεύμα αθάνατο…. Ο παλιός καλός καιρός, που το σουβλάκι έκανε 3 Δραχμές, λιγότερο από 0.01€..!!!