De theoretische bedrijfscyclus van de viertaktmotor bestaat uit de inlaatslag, de compressieslag, de vermogensslag en de uitlaatslag. Om het eenvoudig te houden, wordt dezelfde theoretische cyclus gebruikt voor alle motoren in de automobielindustrie. Om echter te zorgen dat elke cilinder op elk specifiek moment (zelfs bij verschillende snelheden en belastingen) zo efficiënt mogelijk met gassen wordt gevuld en van gassen wordt geleegd, moet de hoek waaronder de kleppen open en dicht gaan, afwijken van de theoretische cyclus. Daarom zijn het VVT-systeem of het systeem voor variabele klepsynchronisatie en VVT-solenoïden zo belangrijk. Lees verder om de functie en geometrie van deze belangrijke onderdelen te ontdekken.
Vertraging en traagheid
Zoals in de inleiding is uitgelegd, moeten de openings- en sluitingstijden van de kleppen enigszins afwijken van de theoretische cyclus om het proces waarbij gassen de cilinder binnenkomen en uit de cilinder ontsnappen te optimaliseren. En dat wordt op zijn beurt beïnvloed door zowel vertraging als traagheid:
- Vertraging: Kleppen gaan niet onmiddellijk open. Het kan een krukasrotatie van 20-30° duren voordat ze volledig zijn geopend. Zonder corrigerende maatregelen zou dit leiden tot vertragingen in zowel de inlaatcyclus als de uitlaatcyclus:
- als de zuiger tijdens de inlaatcyclus begint te dalen en de inlaatklep door de bovengenoemde vertraging nog niet open is, wordt er een vacuüm in de cilinder gecreëerd. Dit maakt het moeilijker voor de zuiger om zijn neerwaartse slag te starten, waardoor de motorprestaties afnemen.
- als de zuiger dan zijn opwaartse beweging in de uitlaatcyclus start en de klep vanwege de vertraging niet open is, dan zorgt de druk in de cilinder voor weerstand tegen het stijgen van de zuiger, waardoor wederom de prestaties van de motor afnemen.
- Traagheid: Wanneer er bovendien een klep wordt geopend, 'aarzelen' de gassen enigszins om in beweging te komen. Dit veroorzaakt ook een korte vertraging aan het begin van het proces (het vullen of legen van de cilinder).
Standaard klepopening zonder een VVT-systeem
De volgende grafiek toont de vaste geometrie van een voertuig zonder een systeem voor variabele klepsynchronisatie (VVT-systeem) en waarbij BDP verwijst naar het bovenste dode punt en ODP naar het onderste dode punt:
Standaard klepopeningsschema zonder VVT-systeem
- IVO of inlaatklep open (Inlet Valve Open) (blauw). Om vertraging te voorkomen en te zorgen dat de inlaatgassen zo snel mogelijk in de cilinder terechtkomen, wordt de inlaatklep iets vóór het BDP geopend.
- IVC of inlaatklep gesloten (Inlet Valve Closed) (blauw).
De inlaatklep sluit even nadat de zuiger iets voorbij het ODP is. Op deze manier wordt de traagheid van de gassen benut en wordt het proces voor het vullen van de cilinders geoptimaliseerd.
- EVO of uitlaatklep open (Exhaust Valve Open) (oranje). Aan het einde van de neerwaartse slag gaat de uitlaatklep vóór het BDP open, ook al is de druk in de cilinder afgenomen omdat de gassen de zuiger omlaag hebben gedrukt, om ervoor te zorgen dat de zuiger tijdens de opwaartse slag geen weerstand ondervindt.
- EVC of uitlaatklep gesloten (Exhaust Valve Closed) (oranje). Om ervoor te zorgen dat alle verbrande gassen zijn verdreven en er enkel verse lucht in de cilinder achterblijft, wordt het sluiten van de uitlaatklep enigszins vertraagd.
Zoals u in het diagram kunt zien, is er een overlapping (groen): een korte periode waarin de inlaat- en uitlaatklep tegelijkertijd open zijn.
Het VVT-systeem of het systeem voor variabele klepsynchronisatie
De functie van het VVT-systeem
Omdat de snelheid van motoren in de automobielindustrie niet constant is, moet het timingdiagram bij voorkeur mee variëren. Met andere woorden: de klepsluitings- en openingshoeken moeten worden aangepast aan waarden die de processen van het legen en vullen van de cilinders maximaliseren naargelang het motortoerental.
Het VVT-systeem beïnvloedt de timing van de kleppen met behulp van een faseverschuiving op de kop van de nokkenas. Dit onderdeel wordt door de motorregeleenheid geactiveerd door middel van een oliestroom die wordt geregeld door de solenoïdeklep.
De belangrijkste voordelen van dit systeem zijn:
- lager brandstofverbruik
- hoger koppel en vermogen
- lagere uitstoot
Vooral in benzinemotoren
Het VVT-systeem werd eind jaren 80 en begin jaren 90 geïntroduceerd in Aziatische en Europese voertuigen. Medio jaren 2000 werd dit systeem steeds populairder en begonnen alle grote autofabrikanten het te gebruiken. Tegenwoordig wordt dit systeem meestal in benzinemotoren geïnstalleerd (echter niet altijd), maar het is ook te vinden in bepaalde dieselmotoren. Hoewel de naam van het systeem per fabrikant verschilt, en hoewel er kleine verschillen kunnen optreden, is het werkingsprincipe praktisch hetzelfde:
- Honda: VTEC
- Toyota: VVT-i
- BMW: VANOS
- Ford: Ti-VCT
- Kia-Hyundai: CVVT
- Porsche: VARIO CAM
- VAG: TGV
- …
Solenoïdeklep en andere VVT-onderdelen
De belangrijkste onderdelen van een systeem voor variabele klepsynchronisatie zijn:
De hoofdonderdelen van een VVT-systeem
- ECU
- Toerentalsensors
- Nokkenasfasering
- Nokkenassen
- Solenoïdekleppen
- Olieleiding
Inzoomen op de nokkenasfasering
De nokkenasfasering past de hoek aan waarop de kleppen worden geopend. Dit bestaat uit de volgende onderdelen:
De onderdelen van een nokkenasfasering
- Binnenste rotor: dit onderdeel is bevestigd aan de nokkenas.
- Buitenste behuizing: dit onderdeel is bevestigd aan het timingtandwiel van de motor.
- Doorgangen: deze worden aan de ene kant of aan de andere kant van de binnenste rotorbladen actief met olie gevuld. Hierdoor roteert de binnenste rotor ten opzichte van de buitenste behuizing, waardoor het openen van de kleppen wordt versneld of vertraagd.
Deze oliestroom naar de ene kant of naar de andere kant van de doorgangen wordt nu geregeld door de solenoïdeklep. Zoals we verderop in dit artikel zullen zien, zorgt de solenoïdeklep ervoor dat de olie door de leidingen naar de doorgangen stroomt op basis van het pulsbreedtemodulatie-signaal (PWM) dat de klep van de regeleenheid ontvangt.
Inzoomen op de solenoïdeklep
De solenoïdeklep bestaat op zijn beurt uit de volgende onderdelen:
De onderdelen van de solenoïdeklep
- Olietoevoerleiding
- Olieterugvoer
- Olieleidingen naar nokkenas
- Zuiger
- Solenoïdespiraal
- Elektrische connector
De solenoïdeklep: standen
Het VVT-systeem wordt meestal geïnstalleerd om samen te werken met de inlaatnokkenas, hoewel er in bepaalde voertuigen ook een VVT-systeem aan de uitlaatnokkenas wordt gekoppeld. High performance-motoren werken bijvoorbeeld met complexere systemen die de lift van de nokken kunnen variëren. Daarom kunnen solenoïdekleppen op verschillende locaties worden gevonden.
1. Solenoïde in 'vertragings'-stand
De solenoïde kan zich in de 'vertragings'-stand bevinden:
De solenoïde in de 'vertragings'-stand
Wanneer de motor stationair draait, brengt de solenoïdeklep de interne plunjer in beweging. Hierdoor stroomt de olie door om één kant van de doorgangen te vullen, terwijl de olie vanuit de andere kanten terug naar het carter kan stromen. Het resultaat is dat ze iets later in de motorcyclus open gaan.
Het vertragen van de opening van de inlaatklep voorkomt dat er bij stationair toerental verbrande gassen in het inlaatspruitstuk terecht komen. Het bespaart ook brandstof: de motor kan soepel blijven draaien, zonder dat het stationaire toerental hoeft te worden verhoogd.
2. Solenoïde in 'vooruit'-stand
De solenoïde kan ook in de stand 'vooruit' staan:
[afbeelding6] De solenoïde in de 'vooruit'-stand
Bij hoge toerentallen beweegt de solenoïde naar de tegenovergestelde stand. Hierdoor wordt de oliestroom omgekeerd en wordt de nokkenas naar de maximale 'vooruit'-stand verplaatst.
Wanneer de motor op een hoog toerental draait, neemt het vullen van de cilinder veel minder tijd in beslag. Als we dus het openen van de klep vervroegen, zorgen we dat het inlaatgas in de cilinder begint te komen, zelfs voordat de zuiger het BDP heeft bereikt. Door de opening te vervroegen, wordt uiteraard ook het sluiten vervroegd. Maar in dit geval is er, vanwege het motortoerental, nog tijd om de cilinder voldoende te vullen. Dit garandeert optimale prestaties en zorgt dat er wordt geprofiteerd van de traagheid van de gassen die bij hogere toerentallen circuleren.
3. Solenoïde in 'wacht'-stand
Bovendien kan de solenoïde ook in de 'wacht'-stand staan:
De solenoïde in de 'wacht'-stand
De nokkenassen hebben Hall-sensors. Deze sensors geven hun exacte positie ten opzichte van de krukas aan de regeleenheid door. Op deze manier kan de regeleenheid op elk moment de vereiste positie bepalen van de solenoïdeklep. Dit wordt berekend door de ingangssignalen (zoals motortoerental, smoorklepstand, enz.) te vergelijken met de kaarten die zijn opgeslagen. Wanneer de gewenste vervroeging is bereikt, wordt de solenoïde in de wachtstand gezet. Dit blokkeert de oliestroom in beide richtingen, waardoor de nokkenas op zijn beurt onder een bepaalde hoek ten opzichte van het nokkenastandwiel wordt gehouden.
Wanneer de motor op een gemiddeld toerental draait of bij andere specifieke situaties, kan de regeleenheid een 'tussenliggende vervroegings'-stand van de nokkenas bepalen, voor een optimale werking van de motor op dat moment. De tussenstanden helpen de NOx-niveaus te verlagen en hebben daardoor een vergelijkbaar effect op de motor als de uitlaatgasrecirculatiesystemen (meestal geïnstalleerd in dieselmotoren, EGR's laten een deel van het uitlaatgas terugstromen in het inlaatspruitstuk. Wanneer ze weer in de verbrandingskamer komen, verlagen ze de temperatuur, wat resulteert in het genereren van minder NOx).
Storingen in het VVT-systeem
Oliedrukproblemen
De meest voorkomende hydraulische storing is een lage of geen oliedruk. Dit is vaak het gevolg van olie die niet goed wordt onderhouden en die vuil en slib bevat. Wanneer deze onzuiverheden in het voorfilter van het olietoevoerkanaal van de solenoïdeklep worden afgezet, belemmeren ze de oliestroom. Hierdoor werkt het systeem langzaam of helemaal niet. Bovendien kunnen de deeltjes door het filter stromen, waardoor de solenoïdeklep in een van zijn standen vastloopt.
Het probleem van een te lage druk kan worden verergerd als de olie niet de juiste viscositeit heeft, of in een geval waarbij er een andere storing in het smeersysteem optreedt.
Oliedrukproblemen
Elektrische storingen
Solenoïdekleppen kunnen ook elektrische storingen ervaren. De spiraal kan defect raken, waardoor de klep niet meer werkt. Zoals altijd is het echter een goed idee om de kabels die naar de klep lopen, te controleren om te voorkomen dat een onderdeel dat in goede staat verkeert, onnodig wordt vervangen.
De motorregeleenheid maakt gebruik van nokkenas- en krukassensors om de werking van het systeem te beoordelen. Als er een afwijking optreedt, wordt er een storingscode gegenereerd en gaat het motordiagnoselampje branden.
[afbeelding9] Motordiagnoselampje