Skrót VTEC można w pełni rozszyfrować w następujący sposób – elektroniczna regulacja zmiennych faz rozrządu i skoku zaworów. Mechanizm ten ma za zadanie zoptymalizować przepływ mieszanki paliwowo-powietrznej do komór spalania.
Silnik spalinowy przekształca energię chemiczną zawartą w paliwie w energię cieplną. Przemiana ta zachodzi podczas spalania mieszanki palnej. Powoduje to wzrost temperatury i ciśnienia w cylindrze. Pod wpływem ciśnienia tłoki silnika poruszają się w dół i wprawiają w ruch wał korbowy. W ten sposób energia chemiczna jest zamieniana na ruch mechaniczny. Siła mechaniczna jest określana przez wielkość momentu obrotowego. Zdolność silnika do utrzymania pewnego momentu obrotowego przy pewnej liczbie obrotów na minutę jest określana jako moc. Moc określa ilość pracy, jaką może wykonać silnik. Cały proces wykonywany przez silnik spalinowy nie jest w 100% wydajny. W rzeczywistości tylko około 30% energii zawartej w paliwie jest przekształcane w energię mechaniczną.
Fizyka teoretyczna mówi nam, że przy takiej sprawności, aby uzyskać wysoką moc silnika, należy zużyć więcej paliwa: w rezultacie nastąpi znaczny wzrost mocy. Oczywiste jest, że w tym przypadku konieczne jest zastosowanie silnika o dużej pojemności roboczej i kompromis z zasadami ekonomii. Inna metoda wymaga, aby mieszanka paliwowa była wstępnie sprężana za pomocą turbiny, a następnie spalana w małych cylindrach. Ale nawet w tym przypadku zużycie paliwa będzie zatrważające. W pewnym momencie Honda poszła inną drogą, rozpoczynając badania nad optymalizacją silnika spalinowego. W rezultacie powstała technologia VTEC, która zapewnia silnikowi doskonałą ekonomię przy niskich obrotach i dużą moc przy „kręceniu korbą”.
Jak działa układ VTEC
Skrót VTEC można w pełni rozszyfrować w następujący sposób – elektroniczna regulacja zmiennych faz rozrządu i skoku zaworów. Mechanizm ten ma za zadanie zoptymalizować przepływ mieszanki paliwowo-powietrznej do komór spalania.
Silnik spalinowy przekształca energię chemiczną zawartą w paliwie w energię cieplną. Przemiana ta zachodzi podczas spalania mieszanki palnej. Powoduje to wzrost temperatury i ciśnienia w cylindrze. Pod wpływem ciśnienia tłoki silnika poruszają się w dół i wprawiają w ruch wał korbowy. W ten sposób energia chemiczna jest zamieniana na ruch mechaniczny. Siła mechaniczna jest określana przez wielkość momentu obrotowego. Zdolność silnika do utrzymania pewnego momentu obrotowego przy pewnej liczbie obrotów na minutę jest określana jako moc. Moc określa ilość pracy, jaką może wykonać silnik. Cały proces wykonywany przez silnik spalinowy nie jest w 100% wydajny. W rzeczywistości tylko około 30% energii zawartej w paliwie jest przekształcane w energię mechaniczną.
Fizyka teoretyczna mówi nam, że przy takiej sprawności, aby uzyskać wysoką moc silnika, należy zużyć więcej paliwa: w rezultacie nastąpi znaczny wzrost mocy. Oczywiste jest, że w tym przypadku konieczne jest zastosowanie silnika o dużej pojemności roboczej i kompromis z zasadami ekonomii. Inna metoda wymaga, aby mieszanka paliwowa była wstępnie sprężana za pomocą turbiny, a następnie spalana w małych cylindrach. Ale nawet w tym przypadku zużycie paliwa będzie zatrważające. W pewnym momencie Honda poszła inną drogą, rozpoczynając badania nad optymalizacją silnika spalinowego. W rezultacie powstała technologia VTEC, która zapewnia silnikowi doskonałą ekonomię przy niskich obrotach i dużą moc przy „kręceniu korbą”.
Dwa algorytmy
Jeśli porównać charakterystyki prędkościowe różnych silników, łatwo zauważyć, że niektóre silniki osiągają maksymalny moment obrotowy przy niskich obrotach (w zakresie 1800-3000 obr./min), inne – przy wyższych (w zakresie 3000-4500 obr./min). Okazuje się, że istnieje zależność między sposobem zamocowania krzywek otwierających zawory na wale rozrządu a tym, jaką moc osiąga silnik przy różnych prędkościach obrotowych wału korbowego. Aby zrozumieć, co jest tego przyczyną, należy wyobrazić sobie silnik pracujący bardzo wolno. Na przykład przy 10-20 obrotach na minutę cykl pracy w jednym cylindrze trwa 1 sekundę. Gdy tłok obniża się, otwiera się zawór wlotowy, umożliwiając napełnienie cylindra mieszanką palną, i zamyka się, gdy tłok osiągnie dolny martwy punkt. Po zakończeniu cyklu spalania tłok zacznie unosić się do góry. Spowoduje to otwarcie zaworu wydechowego, umożliwiając spalinom opuszczenie objętości roboczej cylindra, i zamknięcie go, gdy tłok osiągnie górny martwy punkt. Taki algorytm byłby idealny, gdyby silnik pracował z minimalną liczbą obrotów na minutę. W rzeczywistości jednak silnik jest znacznie bardziej energiczny.
W miarę jak rytm pracy silnika wzrasta, opisany algorytm po prostu nie wytrzymuje krytyki. Jeśli obroty wału korbowego osiągną 4000 na minutę, zawory otwierają się i zamykają 2000 razy na minutę, czyli 30-40 razy na sekundę. Przy takiej prędkości tłok ma ogromne trudności z zassaniem do cylindra niezbędnej ilości mieszanki palnej. Oznacza to, że w wyniku oporów wlotowych powstają straty pompowania, co jest główną przyczyną obniżenia sprawności silnika. Aby ułatwić pracę silnika przy wyższych obrotach, należy na przykład szerzej otworzyć zawór dolotowy. Oczywiście jest to uproszczony opis działania, ale daje ogólne wyobrażenie. Jednak taki algorytm nie sprawdza się przy niskich obrotach: dostosowanie wałka rozrządu „do prędkości” spowoduje jedynie zwiększenie zużycia paliwa. W związku z tym, aby uzyskać lepszą wydajność, konieczne jest połączenie obu algorytmów działania, które są zawarte w mechanizmie VTEC.
Wprowadzony w 1989 r. system VTEC był dwukrotnie modernizowany, a dziś mamy do czynienia z jego trzecią serią. System VTEC wykorzystuje zalety elektroniki i mechaniki i pozwala silnikowi efektywnie zarządzać możliwościami dwóch wałków rozrządu jednocześnie lub, w uproszczonych wersjach, jednego. Sterując prędkością obrotową silnika i zakresem jego pracy, komputer może aktywować dodatkowe krzywki, aby wybrać najlepszy tryb pracy.
DOHC VTEC.
W 1989 roku dwie modyfikacje Hondy Integra, RSi i XSi, weszły na japoński rynek krajowy, wykorzystując pierwszy silnik z systemem DOHC VTEC. Jednostka napędowa model B16A o pojemności 1,6 litra osiągała moc 160 koni mechanicznych, a jednocześnie charakteryzowała się dobrą trakcją na niskich obrotach, oszczędnością paliwa i przyjaznością dla środowiska. Fani marki Honda wciąż pamiętają i doceniają ten wspaniały silnik, zwłaszcza że jego wielokrotnie ulepszana wersja jest do dziś stosowana w modelach Civic.
Silnik DOHC VTEC ma dwa wałki rozrządu (jeden dla zaworów dolotowych i jeden dla zaworów wylotowych) i cztery zawory na cylinder. Na każdą parę zaworów przypada specjalna konstrukcja – grupa trzech krzywek. W związku z tym, jeśli mamy do czynienia z czterocylindrowym, szesnastozaworowym silnikiem z dwoma wałkami rozrządu, takich grup będzie 8. Każda grupa zajmuje się inną parą zaworów. Dwie krzywki znajdują się po zewnętrznych stronach grupy i są odpowiedzialne za działanie zaworów przy niskich obrotach, a środkowa jest podłączona przy wysokich obrotach. Krzywki zewnętrzne mają bezpośredni kontakt z zaworami: opuszczają je za pomocą dźwigienek zaworowych (zaworów zwrotnych). Pojedyncza krzywka środkowa na razie obraca się i pracuje na biegu jałowym na swoim wahaczu, który aktywuje się po osiągnięciu pewnej wysokiej prędkości obrotowej wału korbowego. Ta środkowa część jest wówczas odpowiedzialna za otwieranie i zamykanie zaworów, choć działa jako specjalny mechanizm pośredni.
Gdy silnik pracuje przy niskich obrotach, pary zaworów wlotowych i wylotowych są otwierane przez odpowiednie krzywki. Ich kształt, podobnie jak w większości podobnych silników, jest eliptyczny. Krzywki te mogą jednak zapewnić tylko ekonomiczną pracę silnika i to tylko przy niskich obrotach. Gdy wałek rozrządu osiąga wysoką prędkość obrotową, włącza się specjalny mechanizm. „Nie zajęta” przez tę pracę krzywka środkowa obraca się i bez żadnego wpływu na środkową dźwignię zaworową, która w żaden sposób nie jest połączona z zaworami. Wszystkie trzy dźwignie zaworowe mają jednak otwory, w które pod wysokim ciśnieniem oleju wbijany jest metalowy pręt. W ten sposób grupa jest sztywno zamocowana i pracuje jako jedna całość. W tym miejscu pojawia się wcześniej spoczywająca krzywka środkowa. Ma ona bardziej wydłużony kształt i dlatego po jej naciśnięciu wszystkie trzy dźwigienki zaworowe, a tym samym zawory, opadają znacznie niżej i pozostają otwarte przez dłuższy czas. W takim przypadku silnik może swobodniej oddychać, rozwijać i utrzymywać wysoki moment obrotowy oraz dysponować dobrą mocą.
SOHC VTEC
Gdy silnik pracuje przy niskich obrotach, pary zaworów wlotowych i wylotowych są otwierane przez odpowiednie krzywki. Ich kształt, podobnie jak w większości podobnych silników, jest eliptyczny. Krzywki te mogą jednak zapewnić tylko ekonomiczną pracę silnika i to tylko przy niskich obrotach. Gdy wałek rozrządu osiąga wysoką prędkość obrotową, włącza się specjalny mechanizm. „Nie zajęta” przez tę pracę krzywka środkowa obraca się i bez żadnego wpływu na środkową dźwignię zaworową, która w żaden sposób nie jest połączona z zaworami. Wszystkie trzy dźwignie zaworowe mają jednak otwory, w które pod wysokim ciśnieniem oleju wbijany jest metalowy pręt. W ten sposób grupa jest sztywno zamocowana i pracuje jako jedna całość. W tym miejscu pojawia się wcześniej spoczywająca krzywka środkowa. Ma ona bardziej wydłużony kształt i dlatego po jej naciśnięciu wszystkie trzy dźwigienki zaworowe, a tym samym zawory, opadają znacznie niżej i pozostają otwarte przez dłuższy czas. W takim przypadku silnik może swobodniej oddychać, rozwijać i utrzymywać wysoki moment obrotowy oraz dysponować dobrą mocą.
W przeciwieństwie do innych silników VTEC, w których krzywki mają mniej więcej taki sam profil, w układach napędowych z VTEC-E stosowane są dwie konfiguracje. Zawory dolotowe są napędzane przez krzywki o różnym kształcie. Jedna z nich ma tradycyjny profil krzywki, natomiast druga jest prawie okrągła – lekko owalna. Dlatego jeden z zaworów opuszcza się normalnie, podczas gdy drugi jest ledwo otwarty. Mieszanka palna łatwo przechodzi przez zawór normalny, a przez zawór uchylony bardzo rzadko. Z powodu asymetrii przepływu mieszanki w cylindrze, w którym powietrze i paliwo mieszają się prawidłowo, powstają dziwne zawirowania. W rezultacie silnik może pracować na ubogiej mieszance. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej stężenie paliwa wzrasta, ale tryb, w którym pracuje tylko jeden zawór, staje się uciążliwy. Dlatego przy około 2500 obr/min dźwignia zaworowa zamyka się i jest uruchamiana przez normalną krzywkę. Zamykanie następuje dokładnie w taki sam sposób, jak w innych systemach VTEC.
System VTEC-E jest często niezasłużenie uważany za wynalazek mający na celu wyłącznie oszczędność. Niemniej jednak, w porównaniu z prostymi silnikami, jednostki wyposażone w ten mechanizm są nie tylko bardziej ekonomiczne, ale i mocniejsze. Pierwszy tryb, w którym pracuje jeden zawór, jest odpowiedzialny za ekonomię, a „czystej krwi” VTEC, który zakłada szerokie otwarcie zaworów dolotowych, odpowiada za wskaźniki mocy. Jeśli porównamy dwa podobne silniki, z których jeden jest wyposażony w mechanizm VTEC-E, to zwykły egzemplarz będzie o 6-9% słabszy i bardziej żarłoczny.