1. GİRİŞ
Değişken supap zamanlaması kullanılmayan sistemlerde, kam tasarımında maksimum motor momentinin motorun orta devirlerine gelmesi öngörülür. Şekil 1.1’de klasik bir motorda, motor momenti ve gücünün motor devrine bağlı olarak değişimi görülmektedir. Şekilden de görüleceği gibi maksimum motor devri 6000 dev/dak iken maksimum moment devri yaklaşık 3500 dev/dak civarlarında oluşmaktadır. Maksimum moment devrinin her iki tarafına gidildikçe motor devrine bağlı olarak motor momenti de azalır. Maksimum moment devrinde motor bir çevrimde maksimum hava yakıt karışımını kullanacak şekilde tasarlanır.
Şekil 1.1: Klasik bir motorda motor momenti ve gücünün motor devrine bağlı olarak değişimi
Ancak günümüz teknolojisiyle üretilen araçlarda artık VVT sistemleri kullanılmaktadır. VVT, değişen yük ve devir şartlarına göre emme supabına, bazı sistemlerde hem emme hem de egzoz supabına müdahale ederek, motora o an için ihtiyacı kadar olan dolguyu temin etmek suretiyle motor performansını arttırır. Burada asıl önemli olan yanmanın olabildiğince iyileştirilmesidir. Gerçekleştirilen bu iyi yanma neticesinde motor gücü ve torku klasik ateşlemeli motora göre kayda değer oranda artmıştır. Bununla beraber özgül yakıt tüketimi azaltılmış ve egzoz emisyonları makul bir değere indirilmiştir.
İçten yanmalı motorlarda karışımın silindire giriş ve çıkışını kontrol eden, aynı zamanda sızdırmazlık sağlayan emme ve egzoz supaplarının zamanlaması ve kalkma miktarının motorun bütün devir ve yük aralıkları için optimize edilmesi ile başta volümetrik verim olmak üzere, motor momenti, çıkış gücü, egzoz emisyonları ve yakıt ekonomisi iyileştirilmekte, ayrıca motorun kullanılabilir devir aralığı artırılmaktadır.
2. Sabit ve Değişken Supap açılma yüksekliği ve zamanlama sisteminin karakteristiği
Değişken supap açılma periyodu zamanlaması ve açılma yüksekliği, motorun geniş bir hız aralığında sabit supap açılma yüksekliği ve zamanlama periyodunun sahip olduğu sınırlamaları ortadan kaldırmak amacıyla tasarlanmıştır. Günümüzde modern benzin motorları 1000 d/d ile 7000 d/d aralığında değişen geniş bir hız aralığında çalışmaktadır. Bu silindir içerisine alınan dolgunun optimize edilmesinde çeşitli zorluklara yol açar. Eğer emme supabı geç açılırsa, yani ÜÖN’dan sonra piston aşağıya doğru giderken ve göreceli olarak AÖN’dan sonra yukarıya doğru giderken kapanırsa düşük ve orta devir aralığında motor performansı daha iyi ve egzoz emisyon seviyeleri daha düşük olur. Diğer taraftan yüksek motor hızlarında silindir içerisine alınan dolgu miktarı piston ÜÖN civarında iken emme supabının daha erken açılması ve dolgunun momentum etkisini kullanmak amacıyla AÖN’dan sonra piston yukarıya doğru giderken bir miktar geç kapanmasıyla arttırılır.
Supap zamanlamasının motor hızı ve motor yükü şartlarına uygun olarak ayarlanmasındaki zorlukların üstesinden gelmek için düşük ve orta motor hızlarında silindire alınan havanın hızını yeterli bir seviyede tutmak için farklı; yüksek motor hızlarında bazı önceden belirlenmiş çalışma şartları için motor performansını maksimize eden, kam yüksekliğini ve açılma genişliğini arttıran farklı profillerde kam çıkıntılarına ihtiyaç vardır. Bundan dolayı bazı motorlarda düşük devirlerde emme supaplarını kumanda eden bir kam, yüksek devirlerde ise emme supaplarını kontrol eden ayrı bir kam kullanılmaktadır. Bu kamların profilleri birbirinden farklı olup, düşük devirlerde supaplar daha düşük bir açılma yüksekliğinde ve daha düşük bir süre açık kalırken, yüksek hızlarda supap açılma miktarı ve süresi (KMA olarak) daha da artmaktadır.
Bu sistemin kullanılması motor momenti ve gücünde iyileştirmeler sağlamaktadır. Silindire daha fazla dolgu alınması ile motor momentinde önemli bir artış sağlanmakta, daha uzun bir devir aralığında motor yüksek moment üretmektedir. Şekil 2.1 de değişken supap zamanlamasına sahip bir motorda motor momenti ve gücünün motor devri ile değişimi görülmektedir.
Şekil 2.1: Değişken supap zamanlaması kullanan bir motorda moment ve gücün motor hızı ile değişimi (HONDA i-VTEC)
3. Aktif Supap Kontrol Sistemi (AVCS) SUBARU
Yakıt ekonomisi iyileştirme, motor performansını arttırma, egzoz emisyonlarını azaltma ve kararlı olarak boşta çalışma işlemleri arasında bir denge oluşturur. Kam mili dört zamanlı çevrimde emme ve egzoz supaplarını kritik zamanlama ile açan ve kapatan motor elemanıdır. AVCS motor üzerinde bulunan sensörlerden sinyal alarak kam milinin pozisyonunu değiştirmek sureti ile emme supaplarının zamanını değiştirir.
Değişken supap zamanlamasının etkisi yakıt ekonomisini azaltarak daha geniş bir motor devri aralığında daha yüksek güç sağlamaktır.
Dört zamanın sıralanmasında egzoz zamanı emme zamanının hemen önünde gelir. Egzoz supabının kapanma ve emme supabının açılması esnasında ki supap bindirmesi ağır yükler altında motorun görevini yerine getirmesine yardımcı olur, fakat hafif yüklerde bu şekilde olmaz. AVCS sayısız pozisyonlarda sürekli olarak supap bindirmesinin değiştirir. Supap bindirme aralığı küçük bir aralıktan (rötar pozisyonu) 35 derece KMA kadar (avans pozisyonu) olabilir.
3.1. AVCS Bileşenleri
Değişken supap zamanlaması ECU’den talimat alarak çalışan bir hidrolik sistem tarafından kontrol edilir.
3.1.1. Engine Management Computer
Birçok motor sensöründen bilgi alarak elektronik kontrolü yapan motor yönetim bilgisayarı kam milinin ideal pozisyonunu belirler. Bu sensör bilgileri emme havası debisi, soğutma suyu sıcaklığı, gaz kelebeği pozisyonu ve kam mili pozisyonu bilgilerini içerir.
3.1.2. Yağ kontrol valfi
Kontrol ünitesi değişiklikleri, bir emme kamı dişlisi içerisine yerleştirilmiş bir yağ kontrol valfi tarafından yapar. Yağ kontrol valfi motordan gelen basınçlı yağı kullanarak AVCS sensörü vasıtasıyla emme kamını rötara veya avansa alır.
3.1.3. Actuator
Hareket mekanizması zincirle veya triger kayışı ile hareket ettirilen dişli içerisine yerleştirilir, sensör doğruca kam mili üzerine uygun olarak yerleştirilmiştir. Kam mili dişlisi içerisindeki hareket mekanizması yağ basıncı ile kam milinin avansa yada rötara kaymasına izin verir. Basınçlı yağ bu odaya dolar ve üç yuvarlak paletli döner parçayı iterek kendi ekseninde bulunan kam milini ve hareketli mekanizmayı döndürür.
3.1.4. AVCS-Boşta çalışmada
Emme supabı piston emme işlemine başlamak üzere ÜÖN’yı geçtikten hemen sonra egzoz zamanı bitiminde açılır. Egzoz zamanı yanma odası içerisinde negatif basınç meydana getirir ve emme havası silindire pozitif basınç ile boşluğu doldurur. Bu durumda emme ve egzoz zamanları arasında supap bindirmesi ya yoktur yada çok küçüktür.
Şekil 3.1: AVCS boşta çalışmada supap bindirmesi
Supap zamanlamasını rötara almak rölantide motorun daha düzgün çalışmasını sağlar, değişken supap zamanlaması olmayan motorlarda bu durum rölanti düzensizliği eğilimi olmasına sebep olur.
3.1.5. Hafif ve orta motor yüklerinde
Rölantiden orta motor yüklerine doğru AVCS emme supabını egzoz supabının hala çok az açık olduğu egzoz kursunun son kısmında açılması için avansa doğru kaydırır. Egzoz kursu boyunca oluşan basıncın etkisi ile egzoz gazlarının bir kısmı egzoz gaz resirkülasyonu (EGR) etkisi oluşturmak üzere emme supabından emme manifolduna doğru akar. Aynı zamanda emme kursu boyunca emme supapları daha önce kapanmaya başlar.
Şekil 3.2: AVCS hafif ve orta yüklerde (emme açılması avansa kayıyor)
Bir miktar supap bindirmesi ile supap zamanlamasını avansa almak egzozdaki azot oksitlerin miktarını azaltır. Bu aynı zamanda havanın silindir içerisine uygun akışının göstergesi olarak volümetrik verimi iyileştirir. Daha iyi verim daha yüksek motor performansı sağlar.
3.1.6. Tam Yüklerde
Motor maksimum performans sağlamak üzere zorlandığında, AVCS emme supabının açılmasına avans vererek egzoz supaplarının egzoz supaplarının kapanmasından daha önceye alır. Bu durum silindir içerisinde karıştırma (scavenge) türbülans etkisi oluşturur yani emme havası akışı silindir içerisinde egzoz gazlarının temizlenmesinde yardımcı olur. Bu aynı zamanda sıkıştırma zamanında emme supabının daha önce kapanmasını sağlar. Bu volümetrik verimin artması ve yüksek güç çıkışı sağlar.
Şekil 3.3: AVCS tam yükte çalışması
Toplamda supap zamanlamasının değiştirilmesi motorun düşük ve yüksek motor hızlarında motora yüksek güç çıkışı sağlar. Aynı zamanda rölanti çalışmasını düzenler ve daha düşük egzoz emisyonları oluşumuna yardımcı olur.
4. MODERN AVCS
AVCS motorlarda sürüş ve performasını açısından katkı sağlar. Daha yüksek güç, daha düzgün çalışma ve daha az zararlı emisyon sağlar. Şekil 4.1 de AVCS’nin şematik görünümü, avans ve motor çalışması gösterilmiştir.
Şekil 4.1: Aktif Valf Kontrol Sistemi
5. Valve Timing Control System (VTC: Supap Zamanlaması Kontrol Sistemi)
Performans geliştirme, yakıt ekonomisi ve emisyonlarda azalma sağlamaktadır.
Fonksiyonlar
Şekil 5.1: AVCS sisteminin fonksiyonel özellikleri
Uygulama
Emme ve egzoz supaplarının her ikisine birden uygulanabilir.
Görünüm
Şekil 5.2 de AVCS’de kullanılan supap zamanlama mekanizması (VTC) ve yağ kontrol selenoidi gösterilmiştir.
Şekil 5.2: VTC ve VTC selenoidi
KAYNAKLAR
1) Prof. Dr. H. Serdar YÜCESU, Motor Teknolojisi ders notları
GÖNDEREN:
M. Raşit Ağırbaş
Otomotiv Mühendisi
rasitagrbas@gmail.com
19 Haziran 2016