Moc silnika zależy od prędkości obrotowej wału korbowego i momentu obrotowego silnika. Moment obrotowy jest zdeterminowany wymiarami stereometrycznymi cylindra i wału korbowego oraz rozkładem i wartością maksymalną ciśnienia w cylindrze silnika podczas suwu pracy. W dużym stopniu wartość maksymalnego ciśnienia jest wykładnikiem ilości zasysanego powietrza do cylindra w trakcie trwania napełniania cylindra. W związku z tym przez zastosowanie zmiennych faz rozrządu i zróżnicowanie mechaniczne oraz elektroniczne tych systemów dąży się do jak największej poprawy sprawności napełniania cylindrów. Wzrost efektywności wymiany ładunku w cylindrze przez stosowanie tych systemów powoduje poprawę sprawności ogólnej silnika, co może prowadzić do zmniejszenia jego masy i wymiarów przy osiągnięciu tych samych lub podobnych wartości mocy i momentu obrotowego silnika wedle założeń konstruktorskich i przeznaczenia silnika. Aby kanały dolotowe i wylotowe mogły realizować określone funkcje, układ rozrządu służący do wymiany ładunku musi za pośrednictwem zaworów spełniać określone wymagania. Skuteczność poprawy wymiany ładunku w cylindrze zależy od odpowiedniego doboru faz rozrządu, czyli momentu otwarcia i zamknięcia zaworów zgodnie z położeniem kątowym wału korbowego, w odniesieniu do parametrów sterowania pracą układu zasilania. Prócz momentu otwarcia i zamknięcia zaworów dolotowych i wylotowych poprawność i efektywność wymiany ładunku w cylindrze zależy także od prędkości, z jaką wykonywany jest ruch trzonków zaworów w prowadnicach podczas poszczególnych suwów pracy silnika. Zamknięcie i otwarcie zaworów wymaga skończonego czasu, ponieważ tylko wtedy można osiągnąć dużą sprawność napełniania cylindrów. Zawór dolotowy powinien zaczynać się otwierać tuż przed GMP i zamykać po DMP.

Opróżnianie cylindrów ze spalin powstałych podczas procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej

Koła zmiennych faz rozrządu stosowane w systemie Vanos w E60 M5.

Współotwarcie zaworów umożliwia przepłukanie cylindra i zmniejszenie ilości i temperatury spalin, które zostały wewnątrz cylindra, przez doprowadzenie powietrza przepłukującego cylinder silnika. Ponadto ze względu na proces tworzenia mieszanki palnej korzystne jest stosowanie dużych prędkości otwarć zaworów dolotowych, tj. dużych prędkości wzniosu zaworu przy krótkich czasach wzniosu zaworu. Takie działania prowadzą do uzyskania większych zawirowań przy danych kanałach dolotowych. Pozwala to  zmniejszyć czas opóźnienia samozapłonu w silnikach o zapłonie samoczynnym oraz prowadzi do szybkiego rozprzestrzeniania się czoła płomienia od iskry na całą objętość mieszanki w silnikach o zapłonie iskrowym – proces ten zależy od składu mieszanki paliwo-powietrznej. W tym ostatnim przypadku przebieg tego procesu w dużym stopniu komplikuje wprowadzenie systemów recyrkulacji spalin zmieniających skład powietrza dostarczanego do cylindra. Istotny wpływ na napełnianie cylindrów ma kąt zamknięcia zaworu dolotowego, ponieważ to od niego zależy możliwość zaistnienia powtórnego wypływu ładunku do kanału dolotowego.

Różnie przy różnych obrotach

W silnikach niedoładowanych przy małej prędkości obrotowej wału korbowego dąży się do wczesnego otwarcia i zamknięcia zaworów dolotowych. Prowadzi to do polepszenia procesu przepłukania komory spalania. Wczesne, zbliżone do DMP zamknięcie zaworów dolotowych zapobiega utracie ładunku przy małych prędkościach obrotowych wału. Inaczej przebieg ten wygląda przy dużych prędkościach obrotowych wału, przy których dąży się do późniejszego otwarcia i zamknięcia zaworów dolotowych, co wpływa na skrócenie procesu współotwarcia zaworów. Przy dobrze rozwiniętym procesie dynamicznego opróżniania resztek spalin przez układy wylotowy, a zbyt wczesnym otwarciu zaworu dolotowego i przy dużych prędkościach wału może to powodować częściową utratę świeżego ładunku do kolektora wylotowego. Późniejsze otwarcie zaworu dolotowego w tych warunkach nie wywoła cofnięcia ładunku do kolektora dolotowego, ponieważ ciśnienie napływającego ładunku przekracza wartość ciśnienia narastającego w tym okresie w cylindrze, wynikającego z przemieszczania się tłoka w kierunku GMP w suwie sprężania. Dzięki dostosowaniu czasu zamknięcia zaworów wylotowych i otwarcia zaworów dolotowych można wpływać na zmianę charakterystyki silnika i dzięki temu uzyskać wzrost momentu obrotowego przy małych i średnich prędkościach obrotowych wału korbowego. Prowadzi to do uzyskania lepszego przyspieszenia pojazdu w dolnym zakresie prędkości obrotowych silnika i zmniejszenia zużycia paliwa.

Podsumowując można powiedzieć, że duża prędkość obrotowa wału korbowego determinuje zwiększenie nie tylko oporów ruchu mechanizmów głównych i pomocniczych silnika, ale także oporów przepływu świeżego ładunku w układzie dolotowym, co zmniejsza napełnianie cylindrów. Następstwem tego jest zmniejszenie mocy w warunkach jej największego zapotrzebowania. Ponadto za duży wznios zaworów dolotowych przy małych prędkościach obrotowych, gdy zapotrzebowanie na moc jest bardzo małe, powoduje, że napełnianie cylindra jest dużo lepsze, ale wymusza zwiększenie dawek dostarczanego paliwa do cylindrów przy mieszance stechiometrycznej. Powoduje to nieuzasadniony wzrost zużycia paliwa. Wpływ niekorzystnych zjawisk ograniczono, wprowadzając zmienny wznios zaworów dolotowych i zmienne czasy otwarcia zaworów dolotowych.

Elektrozawór Vanos stosowany w modelu BMW E 91 o pojemności 2,0 litra i typie silnika N43.

Zawór zmiennych faz rozrządu Audi TT 2.0.

Zawór zmiennych faz rozrządu Audi A6 2.0 z 2012 r.

Honda Civic 2.0 VTEC – czujnik zmiennych faz rozrządu.

Aktywator zmiennych faz otwierania zaworów stosowany w silnikach Fiat MultiAir.

Pierwsze systemy zmiennych faz rozrządu pojawiły się pod koniec lat 60. XX wieku i można je podzielić na kilka odmian:

  • z regulacją faz rozrządu, np. Toyota VVTi, BMW Vanos, Porsche VarioCam,
  • z regulacją faz rozrządu i stopniowaną regulacją wzniosów zaworów, np. Honda VTec, Audi Valvelift, Toyota VVTL-i i Porsche VarioCam Plus,
  • z regulacją faz rozrządu i bezstopniową regulacją wzniosów zaworów, np. Toyota Valvematic VVTi, Fiat Multi-
    Air, BMW Valvetronic, Nissan VVEL.

System zmiennych faz rozrządu w BMW Vanos

System ten posiada dwustopniową regulację zmiennych faz rozrządu i jest stosowany w tłokowych silnikach spalinowych produkowanych przez firmę BMW. W późniejszej odmianie system został rozszerzony o bezstopniową regulację faz rozrządu. Dzięki temu wałek rozrządu może zmieniać swoje położenie kątowe w odniesieniu do koła napędowego za pośrednictwem sprzęgła posiadającego podwójne zazębienie śrubowe o przeciwnych kierunkach położenia linii śrubowej zębów. Siłownik hydrauliczny umożliwia przesunięcie tulei sterującej sprzęgłem. Położenie siłownika jest nadzorowane przez sterownik przy wykorzystaniu sygnałów wyjściowych definiujących prędkość obrotową silnika i sterowane za pomocą mechanizmu uruchamiającego napływ oleju przez zawór hydrauliczny.

System zmiennych faz rozrządu w Audi Valvelift

System umożliwia regulację skoku otwarcia zaworów dolotowych. Jest on wykorzystywany w silnikach V6-FSI o bezpośrednim wtrysku benzyny. Wałek rozrządu odpowiadający za napęd zaworów dolotowych jest połączony wielowypustem z tuleją, na której znajdują się dwie krzywki. Tuleja posiada dwa spiralne rowki w kształcie cylindra, do których wsuwany jest trzpień siłownika elektromagnetycznego. W ten sposób tuleje mogą być przesuwane osiowo w stosunku do wałka rozrządu. Przemieszczenie tulei o 7 mm powoduje dosunięcie zaworów i współpracę z dwoma krzywkami. Jeżeli prędkość obrotowa wału jest w zakresie małych obrotów (1000–1500 obr./min) i małych obciążeń, tuleja przesuwa się w lewo, co pozwala na współpracę zaworu z krzywkami o mniejszym profilu. Wskutek tego skok zaworu numer 1 wynosi około 2 mm, a zaworu numer 2 – około 5,7 mm. W chwili zwiększenia obciążenia i prędkości obrotowej wału należy poprawić napełnianie cylindrów, co umożliwia przesunięcie tulei w przeciwnym kierunku. Skutkiem tego przemieszczenia jest zwiększenie uchylenia zaworu o 11 mm przez zmianę profilu krzywki na wyższy. Czas zmiany wzniosu zaworów przy prędkości w zakresie od 1000 do 4000 obr./min w zależności od obciążenia może przebiegać w czasie nie przekraczającym dwóch obrotów wału korbowego. Dzięki modyfikacjom konstrukcyjnym i możliwości sterowania skokiem zaworów dolotowych uzyskano możliwość sterowania procesem napełniania cylindrów i zintegrowano go z obciążeniem i prędkością obrotową silnika. Zmiana taka poprawiła także proces tworzenia mieszanki palnej w zakresie małych prędkości obrotowych silnika wskutek zwiększenia prędkości przepływu zasysanego powietrza przez małe uchylenie zaworów dolotowych.

System zmiennych faz rozrządu MIVEC

System pozwala na korektę czasu otwarcia zaworów i ich wzniosu przy uwzględnieniu prędkości obrotowej silnika i obciążenia. Regulacja faz rozrządu odbywa się bezstopniowo w sposób ciągły. Układ mechaniczny zawiera zestaw dźwigienek zaworowych i hydraulicznie sterowanych sworzni. Jego główną zaletą jest stosunkowo duża precyzja sterowania i dobre osiągi w ujęciu zwiększania momentu obrotowego silnika w zakresie małych prędkości obrotowych wału.

System z regulacją faz rozrządu i stopniowaną regulacją wzniosów zaworów VTEC

System ten posiadał różne wersje w zależności od liczby zaworów przypadających na cylinder. W przypadku 4 zaworów – 2 dolotowych i 2 wylotowych – sterowanie odbywa się wyłącznie przez modyfikację pracy zaworów dolotowych. Każdy z 8 zaworów wszystkich 4 cylindrów posiada indywidualną krzywkę i dźwigienkę.
W zakresie małych i średnich prędkości obrotowych silnika zawory dolotowe są uchylane niesymetrycznie, co jest determinowane kształtem krzywek. Zawór pierwszy jest sterowany na podstawie położenia krzywki numer 1, a zmiana jego położenia ma na celu zapobiegnięcie przegrzaniu gniazd zaworowych. Zawór drugi jest sterowany za pośrednictwem krzywki numer 2 i ma także skrócony skok, co pozwala na zwiększenie prędkości przepływu strumienia powietrza w kanałach dolotowych. Utworzenie dużego zawirowania ładunku umożliwia spalanie mieszanek ubogich. Jeżeli obciążenie silnika wzrasta, sterownik silnika otwiera zawór elektromagnetyczny. W rezultacie do dźwigni doprowadzany jest olej hydrauliczny pod dużym ciśnieniem, co powoduje przesunięcie sworznia blokującego. Dźwignie zaworów dolotowych wszystkich cylindrów zostają zintegrowane i po przesunięciu sworznia stanowią wspólny mechanizm. W tym stanie sterowanie przejmuje trzecia, środkowa dźwignia współpracująca z krzywką numer 3 o najwyższym profilu, co pozwala na zwiększenie skoków zaworów. Praca zaworów odbywa się wówczas symetrycznie, a mieszanka uboga zostaje doprowadzona do składu stechiometrycznego przed dostarczeniem większej ilości paliwa.

System regulacji faz rozrzadu VVT-i

Układ umożliwia zmianę kątowego położenia wału rozrządu względem wału korbowego. Sterowanie elektroniczne pozwala ustalić optymalny czas wyprzedzenia otwarcia zaworu dolotowego dla zróżnicowanych warunków pracy silnika. Element wykonawczy stanowi elektrozawór wpływający na zmianę wartości ciśnienia oleju w komorach roboczych, co pozwala na regulację wyprzedzenia otwarcia zaworu dolotowego.

System MultiAir

System posiada układ elektrohydrauliczny sterowania pracą otwarcia zaworów dolotowych. Sterowanie pracą zaworów wlotowych odbywa się za pomocą wałka rozrządu, a skok zaworów dolotowych może być sterowany bezstopniowo. Krzywka współpracuje z dźwigienką i tłoczkiem pompy hydraulicznej. Upust oleju przetłaczanego do siłowników hydraulicznych decydujących o skoku zaworów jest realizowany za pomocą zaworu elektromagnetycznego. W stanie zamkniętym objętość oleju w komorze tłoka nie zmienia się, przez co zawory dolotowe pracują zgodnie z charakterystyką nadaną przez krzywki wałka rozrządu – mechanicznie. Aktywacja upustu oleju powoduje zmniejszenie objętości oleju w układzie sterowania hydraulicznego, a zawory dolotowe przestają pracować zgodnie z kształtem krzywki wałka rozrządu. Ich zamknięcie realizowane jest za pośrednictwem sprężyn. Faza zamykania zaworów jest kontrolowana przez hamulec hydrauliczny w celu zapewnienia nieinwazyjnego domknięcia zaworu – optymalnego przylegania talerzyka do gniazda zaworowego bez ryzyka zaistnienia tarcia granicznego. Dzięki kontroli czasu otwarcia i zamknięcia zaworów dolotowych można uzyskać szeroki zakres sterowania przy użyciu zaworu elektromagnetycznego. Rozwiązanie to daje dużo większe możliwości od systemów omawianych wcześniej. Uniezależnia ono skok zaworów dolotowych od kształtu krzywek wałka rozrządu, co pozwala na dwukrotne otwarcie i zamkniecie tych zaworów w czasie jednego cyklu napełniania cylindra. Ponadto wczesne otwarcie zaworu dolotowego nie musi prowadzić do jego wcześniejszego zamknięcia, co pozwala znacznie poprawić sprawność procesu napełniania. Co więcej, w zróżnicowanych warunkach prędkości obrotowej i obciążenia silnika pozwala na skuteczne i efektywne sterowanie przebiegiem zmian faz rozrządu i przekrojów stereometrycznych otwarcia zaworów.

Systemy zmiennych faz i wzniosów zaworów nieposiadające sprężyn zaworowych

W nowoczesnych rozwiązaniach stosuje się zmienne fazy rozrządu, które wykluczają konieczność stosowania sprężyn zaworowych. Funkcję sprężyny pełni siłownik elektromagnetyczny, sprężyna gazowa lub desmodronowy mechanizm krzywkowy. Rozwiązania takie często stosowane są w silnikach wysokoobrotowych przekraczających prędkość 20 000 obr./min.

W silnikach tego typu przy bardzo dużych prędkościach obrotowych wału dochodzi często do nieprzewidzianych wibracji i drgań wynikających z niewyważenia mechanizmu tłokowo-korbowego. Efektem tych komplikacji jest niewłaściwy przebieg sterowania pracą zaworów oraz brak właściwego przylegania i zamykania talerzyka zaworu do gniazda. Ponadto masa sprężyny stalowej wpływa na wzrost masy elementów napędu rozrządu, co skutkuje wzrostem siły bezwładności tych elementów.

Układ sterowania elektromagnetycznego nie posiada w swojej konstrukcji popychaczy, wałka rozrządu ani dźwigienek. W tych układach pominięto także zespół sterowania przepustnicy powietrza. Układ pozwala nie tylko na zmianę faz rozrządu, ale także czasoprzekrojów wzniosu zaworów. Daje to możliwość uzyskania zwiększonego współczynnika napełniania i zbliżenia charakterystyki czasoprzekrojów wzniosu zaworów do przebiegu trapezowego. W tym przypadku osiągnięcie przekroju prostokątnego jest niemożliwe z uwagi na bezwładność masy zaworu wykonawczego. Dzięki odpowiednio wprowadzonym modyfikacjom przebiegu wzniosu zaworów dolotowych i wylotowych dla różnych prędkości obrotowych i obciążenia silnika można wpływać na stereometryczny rozkład mieszanki paliwo-powietrznej w cylindrze. Aby doszło do pełnego zamknięcia i otwarcia zaworów, układ elektryczny musi podać napięcie na cewkę zaworu elektromagnetycznego, przy czym górny magnes odpowiada za zamykanie, a dolny – za otwieranie zaworu. W chwili przerwania zasilania cewki zawór pod wpływem siły elektromagnetycznej pozostaje uchylony w pozycji ustalonej przez sprężynę centrującą. Brak dopływu prądu w górnej cewce determinuje zmniejszenie siły pola magnetycznego i w związku z większą siłą sprężyny inicjuje ruch zaworu do pozycji otwartej. Po osiągnięciu wymaganej pozycji otwarcia stałe pole magnetyczne dociska sprężynę i zawiesza zawór w określonej pozycji. Dla siłownika zaworu wylotowego siła otwarcia musi być znacznie większa, ponieważ musi ona pokonać siłę naporu ciśnienia gazu. Skutkuje to koniecznością zwiększenia sztywności sprężyny o 20% w odniesieniu do siłownika zaworu dolotowego, co wymusza zwiększenie geometrii przestrzennej samego siłownika. Większość producentów, mimo tych zabiegów konstrukcyjnych i zróżnicowania sił wykonawczych, stosuje podobne gabarytowo siłowniki dla zaworów dolotowych i wylotowych.

W najbliższym czasie można spodziewać się wyników badań konstrukcyjnych nad wprowadzeniem dodatkowych podzespołów między klasyczne elementy napędu rozrządu a zawory (jak ma to miejsce w omówionym systemie MultiAir stosowanym w pojazdach marki Fiat). Ponadto prowadzone są intensywne badania w kierunku wykluczenia wałka rozrządu i zapewnienia odpowiedniej synchronizacji ruchu zaworów z położeniem kątowym wału korbowego z wykorzystaniem napędu hydraulicznego lub elektromagnetycznego.