Od wielu lat konstruowaniu silników przyświecają dwa cele: ograniczenie zużycia elementów wewnętrznych i znaczne ograniczenie emisji spalin. Jednocześnie należy utrzymać wzrost momentu obrotowego i mocy. Te dwa przeciwstawne cele mogą być spełnione przy zastosowaniu zmiennego sterowania silnika poprzez zmienne sterowanie zaworami. Wymiana zużytego ładunku cylindra (spalin) na świeży gaz następuje poprzez czasowo dopasowane otwieranie i zamykanie zaworów ssących i wydechowych.

Krzywki wałka rozrządu określają moment, w którym poszczególne zawory otwierają się i zamykają (czasy sterowania zaworami) oraz czasowy cykl otwierania i zamykania. Cykl i kres otwarcia mają zasadniczy wpływ na zmianę mocy, a przez to także na dostępną do procesu spalania ilość świeżego gazu. Czasy sterowania zaworami w systemach sterowania ze stałą geometrią krzywek są kompromisem między zużyciem, momentem obrotowym, emisjami i komfortem. To, jak zachowują się ilości gazu wpływające i wypływające z cylindra, zależy od prędkości obrotowej i ustawienia przepustnicy. W przypadku stałych czasów sterowania zaworami zmiana ładunku może być idealnie dostosowana tylko w określonym zakresie pracy. Zakres ten można rozszerzyć, stosując zmienne czasy sterowania zaworami, które dają możliwość zmiany zarówno gazu świeżego, jak i resztek spalin. Dzieje się tak dlatego, że zmienne czasy sterowania zaworami pozwalają dostosować zmianę gazu do różnych obrotów i napełnień cylindra. Daje to następujące korzyści:

• wyższą moc,
• mniejszy hałas silnika,
• bardziej korzystne momenty obrotowe w szerokim zakresie prędkości obrotowych,
• zmniejszenie emisji substancji szkodliwych,
• mniejsze zużycie paliwa.

Zmiana faz rozrządu

Częściowa zmiana faz rozrządu powoduje dodatkowy obrót ssącego wałka rozrządu, jednak coraz częściej także regulowany jest kąt obrotu wałka wydechowego. Skutkiem jest zmiana okresu pokrycia czasów otwarcia zaworów. Czas otwarcia i skok zaworów nie mają wpływu na zmianę faz wałka rozrządu. Wałki rozrządu regulowane są uruchamianymi elektrycznie lub elektrohydraulicznie nastawnikami. Proste układy sterowania przewidują tylko dwie pozycje zmiany. Układy zmiennego sterowania wałkiem rozrządu pozwalają natomiast na płynne obracanie wałka rozrządu względem wału korbowego w pojedynczym cyklu pracy.

Opóźnienie wałka ssącego

Opóźnienie faz ssącego wałka rozrządu opóźnia otwarcie zaworu ssącego, przez co przekrycie zaworów jest ograniczone lub nie występuje w ogóle. W ten sposób na niższych obrotach (< 2000 min^-1) ogranicza się zwrotny przepływ spalin przez zawór ssący do przewodu ssącego. Niewielka resztka spalin w zasysanej następnie mieszance prowadzi przy niskich obrotach do lepszego spalania i spokojniejszej pracy silnika na biegu jałowym. Umożliwia to obniżenie obrotów biegu jałowego i zużycia paliwa. Przy wysokich obrotach (> 5000 min^-1) wałek rozrządu jest opóźniany. Opóźnione zamknięcie zaworu ssącego długo po dolnym martwym punkcie daje efekt lepszego napełnienia. Ten efekt opóźnionego ładowania powstaje na skutek wyższej prędkości przepływu świeżego gazu przez zawór ssący. Świeży gaz przepływa nadal także wtedy, kiedy tłok porusza się już do góry i spręża mieszankę. Dlatego zawór ssący zamyka się dopiero długo po dolnym martwym punkcie (DMP).

Przyspieszenie wałka ssącego

W zakresie średnich prędkości obrotowych prędkość przepływu świeżego gazu przez zawór ssący jest ograniczona. W związku z tym nie pojawia się efekt opóźnionego ładowania, który występuje przy wyższych obrotach. Wczesne zamknięcie zaworu ssącego już krótko po DMP zapobiega wypychaniu zassanego świeżego gazu przez zawór ssący pod wpływem poruszającego się do góry tłoka. Przyspieszenie faz wałka rozrządu ssącego zapewnia tutaj możliwie najlepsze napełnienie, a tym samym stabilizację obrotów. Przyspieszenie faz wałka rozrządu ssącego powoduje także wyższe przekrycie zaworów. Ponieważ zawór ssący jest otwierany wcześnije, spaliny, które nie wydostały się jeszcze przez zawór wydechowy, są tłoczone niedługo przed górnym martwym punktem przez otwarty zawór ssący do przewodu ssącego pod wpływem poruszającego się do góry tłoka. Spaliny te są następnie znowu zasysane, przez co znajdują się w mieszance napełniającej cylinder. Zwiększony przyspieszeniem wałka ssącego udział resztek spalin w zasysanej mieszance (wewnętrzna recyrkulacja gazu) zmniejsza tworzenie się tlenków azotu ze względu na mniejsze temperatury zapłonu.

Różny skok

Aby móc zmieniać nie tylko czasy sterowania, lecz także skok zaworu i okres jego otwarcia, niektóre systemy mają możliwość przełączania między różnymi kształtami krzywek. Pierwsza krzywka daje optymalne czasy sterowania i skoki zaworów ssących dla dolnego i środkowego zakresu obrotów. Druga steruje wyższymi skokami zaworów i dłuższymi czasami ich otwarcia na wysokich obrotach. Niskie skoki zaworów i powiązany z nimi mały przekrój otworu dolotowego zapewniają wyższą prędkość napełniania cylindra, co z kolei poprawia zmieszanie mieszanki powietrza i paliwa przy wtrysku do przewodu ssącego i świeżego powietrza w przypadku bezpośredniego wtrysku benzyny. W ten sposób, przy obciążeniu częściowym, osiąga się bardzo dobre przygotowanie mieszanki. Przy pełnym obciążeniu, czyli przy wysokich obrotach i wysokim wymaganym momencie obrotowym, konieczne jest maksymalne napełnienie ze względu na wymaganą wysoką moc silnika. Wówczas układ sterowania silnikiem włącza wysoki skok zaworu.

Dwa w jednym

Układ zmiany skoku zaworu w Porsche, zwany Variocam Plus, składa się z przełączanych popychaczy, sterowanych elektrohydraulicznym zaworem sterującym. Są to dwa popychacze włożoneh jeden w drugi, które można zablokować trzpieniem. W zależności od potrzeb, przy częściowym obciążeniu wewnętrzny popychacz działa na zawory ssące przez małą krzywkę, a przy pełnym obciążeniu zewnętrzny popychacz działa na nie przez dużą krzywkę wałka rozrządu. Czasy sterowania ssaniem, a wraz z nimi zmiana faz rozrządu, następują poprzez elektrycznie sterowaną przekładnię zamontowaną po stronie czołowej wałka rozrządu.

Dobra trójka

System VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) Hondy to zasadniczo konstrukcyjne połączenie dwóch wałków rozrządu w jeden. W tym systemie oba zawory ssące cylindra są sterowane za pomocą trzech krzywek. Na niskich obrotach zewnętrzne krzywki uruchamiają zewnętrzne dźwigienki zaworowe zastępujące popychacze, podczas gdy środkowa krzywka pracuje swobodnie w oczekiwaniu na wyższe obroty.

Umożliwia to sprężyna, która otwiera połączenie między dźwigienkami zaworowymi, uruchamiając zawory, na skutek czego środkowa dźwigienka zaworowa nie jest uruchamiana. Na wysokich obrotach sterowanie silnika otwiera zawór elektromagnetyczny, przez co olej silnikowy naciska na zasuwkę, która mocno łączy trzy dźwigienki zaworowe ze sobą. Ponieważ krzywka działająca przy wysokich obrotach popycha środkową dźwigienkę niżej niż obie zewnętrzne dźwigienki, w położeniu tym obie zewnętrzne dźwigienki obracają się luźno, a środkowa krzywka reguluje ruch zaworu. Kiedy zawór elektromagnetyczny znowu się zamknie, sprężyna odciąga zasuwkę, połączenie między dźwigienkami zaworowymi zostaje przerwane, a środkowa krzywka znowu porusza się swobodnie.

Bez przepustnicy

Krok dalej idzie BMW ze swoim mechanicznym, pełnozmiennym sterowaniem zaworów Valvetronic. System ten nie używa nawet przepustnicy. W Valvetronic wałek rozrządu nie działa bezpośrednio na dźwigienkę zaworową, która uruchamia zawór, lecz poprzez dźwigienkę pośrednią. Dźwigienka ta nie znajduje się jednak w pozycji poziomej pod wałkiem, lecz w pionowej obok wałka rozrządu. Dźwigienka pośrednia posiada w środku rolkę, po której przesuwa się krzywka. Jej dolny koniec spoczywa na rolce dźwigienki zaworowej, natomiast u góry dźwigienka opiera się drugą rolką na wałku mimośrodowym. Kiedy wałek rozrządu obraca się, dźwigienka pośrednia porusza się wahadłowo. Aby zamienić ten ruch poziomy w pionowy, dźwigienka pośrednia ma u dołu specjalny kształt przypominający na pierwszy rzut oka bumerang.

Kontur biegnie prawie równolegle do dźwigienki zaworowej, a w połowie zarysu pod kątem do niej. Dopiero, kiedy część biegnąca pod kątem działa na rolkę dźwigienki zaworowej i w ten sposób naciska dźwigienkę w dół, zawór otwiera się. Stosunek przełożenia dźwigienki jest określony tak, że tylko około połowa całego konturu przekłada się na dźwigienkę zaworową. To, gdzie ta połowa zaczyna się i gdzie się kończy zależy od punktu obrotu dźwigni zwrotnicy, który regulowany jest wałkiem mimośrodowym napędzanym silnikiem elektrycznym: jeżeli górna rolka dźwigni zwrotnicy zostanie naciśnięta w kierunku wałka rozrządu, punkt obrotu dźwigni zmienia się, a z nim oddziałująca część konturu. Dzięki temu można płynnie regulować skok zaworu ssącego między 0,0 a 9,7 mm. Silnik elektryczny, który poprzez przekładnię ślimakową porusza wałek mimośrodowy, potrzebuje 300 milisekund, aby zmienić skok minimalny na maksymalny. Do tego dochodzi zakres zmian faz walka rozrządu, który w BMW nosi nazwę Vanos, i który może obrócić wałek ssący i wydechowy o 60^o względem wału korbowego. Czas zmiany od jednego punktu oporu do drugiego również wynosi 300 milisekund.

Można też bez wałka rozrządu

Największą swobodę w zakresie zmiennego sterowania zaworami umożliwiają systemy wyposażone we własny napęd dla każdego zaworu, który dodatkowo jest włączany w zależności od potrzeb. Warunkiem jest elektromechaniczny napęd zaworów, w którym uchwyt umieszczony na końcu zaworu porusza się między dwoma magnesami siłą sprężyny. Służą one jedynie do utrzymania uchwytu w pozycjach krańcowych – zawór otwarty lub zawór zamknięty. To elektromechaniczne rozwiązanie łączy kilka koncepcji silnika. Umożliwia to uruchomienie w zależności od potrzeb dwóch, trzech lub czterech zaworów, przy czym ostatnia możliwość daje maksymalną moc silnika. Podobnie jak w Valvetronic, celem jest „otwarcie“ przewodu ssącego przy bardzo małych stratach związanych ze zmianą ładunku cylindra. Systemy takie znajdują się obecnie w fazie projektowej, a niektóre z nich już zaczynają mieć zastosowanie w samochodach seryjnych.