Toyota Valvematic

A Toyota is megalkotta a vezérlés jellemzőit változtató, ún. flexibilis mechanizmusát, melyet VALVEMATIC névre keresztelt. A VALVEMATIC 2007-ben debütált Noah modellben, majd 2009-ben a ZR motorcsaládban, 1-, 2- és 3ZR-FAE motorkóddal, mely szelepvezérlésű motorokat Európában az Auris, Verso és RAV4 modellek is megkapták. A ZR motorcsalád 3ZR-FE típusa hagyományos szelepvezérléssel rendelkezik. A konkurencia megoldásaihoz képest a VALVEMATIC konstrukció előnye, hogy a hagyományos szelepvezérlésű motor hengerfejében szerkezeti magasság növelése nélkül is elfér.

A szelepvezérlés – a töltetcsere vezérlőrendszere – merev rendszer. Ez alatt nem a szilárdságot, hanem a működési jellemzők állandóságát értjük. A hagyományos szelepvezérlés a főtengely szögelfordulásához viszonyítva mindig azonos szögállásnál kezdi nyitni és zárja be teljesen a szelepet, a bütykös mechanizmus pedig mindig azonos szelepemelési lefutást ad, mind a nyitási és zárási függvényt, mind a maximális szelepemelést illetően.

Ez a beállítás a motorüzem széles fordulatszám- és terheléstartományában csak szűk mezőben ad kedvező értéket. A többinél nem, így helye van a nap alatt a változtatható paraméterű vezérlésnek. A motorgyártók az utóbbi időkben ilyen konstrukciós megoldásokkal egyre gyakrabban jelentkeznek. (Tisztelet az elődöknek, mert a szelepvezérlés folyamatos és szakaszos állításának ravasz – többnyire soha meg nem valósult – mechanizmusaitól hemzseg a technikatörténet.)

Az utóbbi tízegynéhány évben először az ún. vezértengely-fázisállítók léptek színre „feket-fehér”-ben. A szívósori vezértengelyt előresiettették egy meghatározott értékkel a főtengelyhez képest. Majd megjelentek ezek a kipufogó-vezértengelyen is. Ezt követték a folyamatos állításúak. A Toyotánál a folyamatos hidraulikus „fázisállító” a Dual VVTi, mindkét tengelyen egy-egy. A Toyota alkalmaz villanymotoros „fázisállító” aktuátort is – nem a tárgyalt motornál –, ez a VVT-iE változat – Variable Valve Timing – intelligent by Electric motor.

A „fázisállítók” ún. flexibilis mechanizmusa ugyan komoly előrelépés a töltetcsere-vezérlés optimalizálásában és a kipufogógáz hőmérsékletének emissziótechnikai célú beállításában, de még nem oldja meg az Otto-motor töltetcsere alapvető gondját, a jelentős szívási munka csökkentését.

Az Otto-motor dízelmotorhoz vett nagyobb fogyasztásának fő oka részterhelési üzemben, a friss töltet beszívásának nagy munkaigénye. A motorba jutó éppen szükséges töltetmennyiséget a fojtószelep-elfordítás helyzetével – fojtásával – állítjuk be. Kis töltetmennyiséghez (közvetlen befecskendezésnél tisztán levegő) nagy fojtás tartozik, mely fojtáson a gázt a motordugattyúval szívási ütemben létrehozott depresszió (kis abszolút nyomás) „húzza” át. (Erről a problematikáról lapunkban már többször írtunk például a BMW Valvetronic vagy a réteges keverék képzése indokainak tárgyalása kapcsán.)

A Toyota konstruktőrei is úgy gondolták, hogy a motor fogyasztáscsökkentésének hatékony módja a fojtószelep okozta fojtás csökkentése, melyet szabadon változtatható szelepvezérléssel lehet elérni. Ez a flexibilitás a szelepemelés változtathatóságát és a szelepnyitás és -zárás tág határok közötti beállíthatóságát jelenti. Szellemes működtetőmechanizmusuk a VALVEMATIC nevet viseli.

Először nézzük meg, hogy a TOYOTA miként mutatja be a rendszer alkalmazásának indokait. Az 1. ábrán az ismert indikátordiagramot látjuk, tehát a négy ütem során a hengertérben kialakuló nyomást.

1. ábra

Számunkra a szívás és a kompresszió első szakasza érdekes. Fojtószelepes motor a kék vonal 1-2-3 pontja mentén szív. A VALVEMATIC a piros vonal 1-2-3 pontjai mentén.

Mindkét esetben 30 kPa a szívási végnyomás. A rózsaszín területtel arányosan csökken a szívási munka! A VALVEMATIC – köszönhetően a szívószelep-vezérlésnek – 1 és 2 piros vonalon fekvő szakaszon szívja be a szükséges töltetmennyiséget majdnem nyitott fojtószelepnél. A 2-es pontban bezár a szívószelep. A dugattyú igaz, hogy még halad az alsó holtpont felé, és ez munkával jár (zárt tér térfogatát növeli), de ezt a befektetett munkát részben visszanyerjük, mikor a 3-as pontból kiindulva megkezdjük a kompresszió ütemet. A dugattyúra a külső atmoszférikus nyomás hat a kartertérből, és ez tolja az FHP felé a dugattyút egészen a 4-es pontig. Innen kell már a motornak az 5-ös pontig munkát fektetnie a komprimálásba.

A munkanyereség szembetűnő! Hagyományos, fojtószeleppel szabályozott motornál a munkaterületet az 1-2-3-4 határolja, míg a VALVETRONIC szívási munkája csak az 1-2’-3-4 keskeny terület.

2. ábra

A teljes motorüzemi tartományban a szelepemelés mértékét a 2. ábra mutatja, mely egyben a fogyasztáscsökkentésre is utal. Alapjáraton, alapjárattól a részterhelési haladás munkapontjain érhető el a számottevő javulás. A kisebb szeleplöket mellett nagyobb lesz a keverék beáramlási sebessége, ez jobb keverékhomogenizálódást idéz elő.

Teljes terhelésen pedig azért kapunk teljesítménynövekedést, mert ennek a motornak a referenciához képest nagyobb a maximális szeleplökete.

1. táblázat

Mindez a szívószelep tág határok közötti (lásd az 1. táblázat értékeit) vezérlésével érhető el.

3. ábra

A vezérlési diagram (3. ábra) érzékletessé teszi, hogy milyen tág határárok között van mód a szelepnyitásra és zárásra (2. táblázat).

2. táblázat

A Valvematic rendszer együttműködve a VVT-i szabályzással és az elektromos fojtószelepegységgel, a beszívott levegő mennyiségét a szívószelepek nyitásának időzítésével és a nyitásuk mértékével szabályozza a mindenkori haladási feltételeknek megfelelően. Mivel a VALVEMATIC motornál, szelepnyitás/zárás időzítése függ a szelepemelés mértékétől, ezért a VVT-i vezérlés karakterisztikája (fázisszög állítása) eltér a hagyományos VVT-i modellnél alkalmazottól. A fojtószelepet az elektromos fojtószelepegység nyitja a kellő mértékben.

A szelepmozgatás, a szelepemelés-változtatás egy másodlagos himba – szelepenként egy-egy – mozgása révén jön létre. A másodlagos himbák a vezértengellyel párhuzamosan fekvő segédtengelyen – állítótengelyen – vannak. Fényképek és rajzok segítségével mutatjuk be a szerkezetet.

4. ábra, 5. ábra

A segédtengelyen lévő alkatrészcsoportot bontva a 4. ábra mutatja, szerelten pedig a 5. ábrán láthatjuk. A szívó vezértengely bütyke – hengerenként egy – a segédtengelyt (állítótengelyt) görgős emelőn keresztül fordítja el (6. ábra).

6. ábra, 7. ábra

A másodlagos himbaprofil talpa (7. ábra) érinti a görgős szelephimbát. A szelepemelés mértéke attól függ, hogy a talp milyen hosszon és milyen szög alatt érinti a szelephimbát. A talp helyzetét annak elfordításával lehet változtatni (8. ábra). 

8. ábra: 1 – széles szögtartomány, 2 – nagy szelepemelés

Az elfordítást a segédtengely hosszirányú elmozdításával érik el. A tengelyirányú eltolással a tengelyen lévő ferde fogazás (9. ábra) a vele szintén ferde fogazással kapcsolódó másodlagos himbát – mivel az nem tud tengelyirányban elmozdulni – elfordítja. A segéd- vagy vezérlőtengely axiális elmozdulása tehát forgómozgást eredményez a másodlagos himbán. Az elfordulás megváltoztatja a másodlagos himba helyzetét, ami változó löketű szelepnyitást eredményez.

9. ábra

Az állítómű a segédtengelyt tolja, húzza. Az állítómű elektromos kefe nélküli villanymotorja a mechanizmusban lévő bolygóművön keresztül a forgást tengelyirányú elmozdulássá alakítja (10. és 11. ábrák).

10. ábra

11. ábra

Az állító mechatronikai egység a segédtengelyhez a 12. ábrán látható módon kapcsolódik.

12. ábra

A szétkapcsoláshoz a menesztőcsapot kell mágnessel kihúzni (13. ábra). A csapot lemezhüvely takarja, ezt óvatosan húzzuk félre, ügyelve arra, hogy a csap ne csússzon ki lefelé. A csapot mágnessel húzhatjuk ki.

13. ábra, 14. ábra

A VALVEMATIC mechanizmusát és a két vezértengelyt befogó keret (14. ábra) alkatrészegységet képez, a benne lévő alkatrészek külön nem rendelhetőek, csak egyben lehet cserélni. Az elemek egyedi azonosításúak, összeválogatottak.

15. ábra, 16. ábra

A segéd görgőshimbát, melyet a szívó vezértengely működtet, rugóterheléssel feszítik a himbára (15. ábra).

A segédtengelyen lévő 3 fogazott himbát két oldalról hézagolólemezzel támasztják meg (16. ábra).

17. ábra, 18. ábra

A motorra tekintve az állítóműről azonnal megállapítható, hogy VALVEMATIC szelepvezérlésű motorváltozatról van szó (17. ábra), valamint a Dual VVT-i is felfedezhető a hengerfejből kiálló elektrohidraulikus szelepeiről (18. ábra).