Spalovací motor bez vačkových hřídelů: Klasický rozvod ventilů mají nahradit elektromotory

Nyní by měl být spalovací motor bez vačkových hřídelů již blízko sériové výrobě.

Pokud opomeneme dvoudobé motory, tak u čtyřtaktů je výměna zápalné směsi ve válci řízena rozvodem motoru. Z hlediska techniky se jedná o relativně složitý mechanismus, vyžadující minimálně jeden sací a výfukový ventil pro každý válec, ale také vačkový hřídel, který ventily svými vačkovými palci ovládal. Nemluvě o pohonu vačkového hřídele od klikového ozubeným řemenem, řetězem či vzácně soustavou ozubených kol, a to převodem 1:2 (vačkový hřídel rotuje polovičními otáčkami než klikový hřídel). Konvenční rozvod motoru vyžaduje také údržbu od výměny pohonu rozvodů až po vymezování ventilové vůle, pokud není řešeno hydraulicky a tudíž samočinně. Nabízí se proto otázka, zda by nešlo tento nezbytný mechanismus nahradit něčím jiným.

Konstruktéři se o to v zásadě pokoušejí už od 90. let. Takzvaný „motor bez vačkových hřídelů“ se čas od času objevuje v nejrůznějších článcích. Nicméně ani za přibližně dvacet let si takto řešený motor nedokázal najít cestu do sériových aut, a to ani do těch vysokovýkonných malosériových, jejichž značná cena a zároveň malé výrobní počty by mohly technologii „motoru bez vaček“ dávat alespoň malou naději na uplatnění v praxi.

Zatím poslední vlaštovku ve vývoji motoru bez vačkových hřídelí představuje řešení britské firmy Camcon Auto. Ta svůj inovativní rozvod motoru nazývá IVT, což znamená Intelligent Valve Technology. Pod tím si máme představit plně variabilní ventilový rozvod, přičemž slovo „variabilní“ má v tomto případě zcela nový rozměr.
Umožňuje to ovládání ventilů pomocí elektrického ovladače, kterému Camcon Auto říká IVA (Inteligent Valve Actuator). Celé je to řešeno tak, že každý ventil má svůj vlastní elektrický ovladač (aktuátor), jenž ovládá ventil přes specificky řešený mechanismus (výrobce mluví o virtuálním vačkovém hřídeli). Tímto způsobem lze mimo jiné měnit časování každého ventilu zvlášť. Spíše než konvenční ovládání ventilů připomíná systém IVT modifikovaný desmodromický rozvod, tedy systém nuceného zavírání ventilů, který dodnes používá pouze italská značka Ducati.

Celý mechanismus je řešený jako „bezpečný při poruše“. Díky snímači polohy každého z ventilů je proto zaručeno, že ani v případě selhání ovladače na některém z válců by nemělo dojít k setkání ventilu s pístem a tedy „potkání motoru“. To má zaručit také pokročilé ovládání rozvodu.

Výrobce o IVT mluví také jako o „digitálním ventilovém rozvodu“. Co si pod tím máme představit? To výrobce ve svých materiálech neupřesňuje. Zcela jistě půjde o obdobu komunikace využívající binárního kódu neboli principu datových sběrnic CAN-bus. Jde o modernější alternativu k takzvanému PWM (Pulse Width Modulation) – pulzně šířková modulace řízení, která je analogová a pracuje se dvěma hodnotami na příslušných vodičích (například napětí a proud).

Společnost Camcon udává, že na rozdíl od vzpomínaného desmodromického rozvodu, kterému se IVT samotným ovládáním ventilů trochu podobá, nebude tento vyžadovat v průběhu životnosti motoru žádné pravidelné seřizování a tedy vymezování ventilové vůle. Na první pohled je však mechanismus ovládání ventilů veskrze složitý, takže je otázkou, jak se to bude celé chovat při vyšším kilometrovém nájezdu. Tady bychom se již nějakých vůlí obávali… Systém - jak je vidět, pracuje s na pohled konvenčními ventily, jaké se dnes u motorů běžně používají.

Jaké jsou výhody popsaného ovládání ventilů? Jednou z nich je velmi snadná konvertibilita motoru pro potřeby v rozličném druhu aut. V případě, že bude takto řešený motor pohánět městské vozidlo, bude jeho používání v převážně nízkých otáčkách a malém zatížením přizpůsobeno časování rozvodu, které do značné míry určuje chování motoru.

Naopak stejný motor pod kapotou řekněme sportovně laděného modelu dostane odlišný program ovládání rozvodu, čímž se změní také jeho charakteristika. Zjednodušeně řečeno, tam, kde bylo dříve zapotřebí měnit vačkový hřídel z důvodu použití odlišných vaček (pro sportovní motor takzvaných ostrých), bude v daném případě stačit „pouze“ elektronický zásah.

Mechanika rozvodu zůstane pořád stejná. Jen se změní doby, okamžik a míra otevření příslušných ventilů. Samozřejmě, že systém IVT dokáže plně nahrazovat funkci škrtící klapky bez toho, aniž by k tomu potřeboval složitou mechaniku, jakou má dnes Valvetronic a jeho obdoby, či kombinaci mechaniky a hydrauliky, což je případ rozvodu Multiair. O plně variabilním časování rozvodu nemluvě. I toho je u tohoto systému snazší docílit než u konvenčních rozvodů s různými hydraulickými či elektricky ovládanými přesuvníky na vačkovém hřídeli. Dále bude relativně snadné deaktivovat při jízdě příslušné válce. K tomu bude stačit prostě „nenapájet“ elektrické ovladače ventilů příslušných válců.

„U motoru s rozvodem IVT lze měnit časování s každou otáčkou klikového hřídele,“ říká k systému Mark Gostick, jeden z vedoucích pracovníků firmy Camcon Auto. „Vždy tak můžeme mít optimální časování rozvodu pro vysoké i nízké otáčky, samozřejmě oboje s ohledem na zatížení.“

Při výčtu všech předností si člověk hned klade otázku, proč už se tento systém ovládání ventilů dávno nepoužívá? Odpověď na to není tak úplně jednoduchá. Ač běžný rozvod motoru má své nedostatky, pokud opomeneme jeho občasné selhání z různých příčin, v kontextu se jedná o prověřený koncept. Pro výrobce automobilů tak bylo a je snazší cizelovat něco, co tady už desítky let je a v principu dobře funguje, než vyvíjet něco zcela nového. Jistě i proto za motorem s elektrickým ovládáním ventilů nestojí žádná automobilka, ba ani výrobce automobilové techniky (Schaeffler, Bosch, Valeo), ale v zásadě takřka neznámá společnost. Za dlouhý vývojem motoru bez vačkových hřídelů a tedy s elektrickým ovládáním ventilů ale stojí také technologické obtíže. V ovládání ventilů se používají vzácně se vyskytující permanentní magnety, které jsou nezbytné k výrobě ovládacích elektromotorů. Jen tak mohou být při své malé tloušťce zároveň dostatečně výkonné k tomu, aby dokázaly rychle otevřít či zavřít příslušný ventil. Také elektronika a digitální ovládání jakýchkoliv akčních členů není ani dnes zcela běžné. V motorech stále převládá ovládání přes výše zmíněný PWM signál.

V současné době je tak popsané inovativní ovládání ventilů stále předmětem testování. Firma Camcon Auto se za tímto účelem spojila se skupinou JLR (Jaguar – Land Rover), přičemž testování probíhá na přeplňovaném zážehovém dvoulitrovém čtyřválci Ingenium, který je vlastní konstrukcí JLR. Se systémem IVT má tento motor údajně o 5,3 procenta nižší takzvané čerpací ztráty, vznikající škrcením nasávaného vzduchu škrticí klapkou v režimu částečného zatížení motoru. Právě tento odpor sání vůči pohybujícím se pístům (čerpací ztráty) stojí za vyšší spotřebou paliva. Proto dnes mají motory extrémně dlouhé převody, aby řidiče donutily více přidat plyn a tím o větší úhel otevřít škrticí klapku.

Kdy se tedy motoru s revolučním rozvodem IVT dočkáme v provozu? Žádné konkrétní datum ani časový horizont firma Camcon Auto neudává. Dle dostupných informací pocházejí předběžní zájemci o využití této technologie z Číny a Japonska. Pokud už systém IVT bude debutovat, zcela jistě půjde o nějaké malosériové a zároveň výkonné sportovní auto. Důvodem je i cena, která zejména v době zavádění systému rozhodně nebude nízká. Nechme se překvapit…

Zdroj: auto.cz