Regulator faz, fazator, wariator, przestawiacz faz, nastawnik faz czy regulator faz. Wszystkie nazwy w zasadzie opisują ten sam element, ale co to właściwie jest i do czego służy? Należałoby zacząć od tego, czym jest rozrząd. Rozrząd jest mechanizmem odpowiadającym za synchronizację ruchu tłoków oraz momentów otwarcia lub zamknięcia zaworów. Inaczej mówiąc rozrząd pilnuje, aby w momencie wykonywania konkretnego cyklu pracy odpowiedni zawór był zamknięty lub otwarty. Dobrym przykładem jest cykl ssania podczas którego ważne jest, aby zawór ssący był otwarty, a zawór wydechowy zamknięty, dzięki czemu silnik może zassać czystą mieszankę paliwowo-powietrzną nie zasysając spalin z poprzedniego cyklu pracy. Podczas sprężania natomiast ważne jest, aby oba elementy były zamknięte co prowadzi do bezstratnego sprężenia mieszanki w cylindrze. Najczęściej spotkać się można z rozrządem opartym o konstrukcję górnozaworową DOHC (z ang. Double Overhead Camshaft). W rozwiązaniu tym dwa wałki umieszczone w głowicy silnika sterują osobno zaworami ssącymi oraz wydechowymi. Same wałki natomiast napędzane są wałem korbowym za pośrednictwem łańcucha rozrządu lub paska.
System zmiennej fazy rozrządu
Początkowo rozrząd w silnikach spalinowych był ustawiany w jednej stałej pozycji, ustalonej przez producenta silnika. Pozycja ta miała zapewnić optymalną wydajność we wszystkich warunkach pracy jednostki napędowej. Z czasem jednak okazało się, że aby uzyskać maksymalną efektywność, ustawienie to powinno być dopasowane do obciążenia silnika. Powstała zatem potrzeba stworzenia mechanizmu pozwalającego na regulację rozrządu. Mechanizm taki nazywany jest systemem zmiennej fazy rozrządu. W wielu artykułach branżowych można się spotkać z informacją, że system ten odpowiada za czas otwarcia zaworów, ale nie jest to prawda. Sama regulacja dotyczy zmiany położenia kątowego wałków rozrządu względem położenia wału korbowego, a zatem odnosi się do przesunięcia w czasie chwili, w której rozpoczyna się cykl otwarcia lub zamknięcia zaworu. Sam czas cyklu pozostaje bez zmian. Zazwyczaj zakres regulacji wałka wynosi od 15o do 30o. Pozornie niewielka zmiana pozwala kontrolować tzw. czas współotwarcia zaworów, mający bezpośredni wpływ na proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze silnika. Podczas współotwarcia cylinder jest połączony zarówno z układem dolotowym, jak i z wylotowym. Na wykresie poniżej przedstawiono przykładowe przesunięcie fazowe wzniosu zaworów ssących h [mm] w funkcji kąta obrotu wału korbowego Cr [o].
Regulator zmiennych faz rozrządu
Przez lata konstrukcja regulatorów mocno się zmieniła. Jeden z pierwszych systemów VANOS stosowany w silnikach BMW wykorzystywał początkowo zewnętrzną przekładnie heliakalną. Ich charakterystyczną cechą jest duża aluminiowa obudowa, w której umieszczony jest tłok połączony z charakterystycznym wałeczkiem ze skośnymi zębami. Regulacja polega na przesuwaniu tłoka do przodu i do tyłu za pomocą ciśnienia oleju, co powoduje wsuwanie lub wysuwanie wałeczka zębatego w koła rozrządu. Skośne ułożenie zębów prowadzi do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego na obrotowy. Dzięki temu uzyskujemy przesunięcie kątowe wałków rozrządu.
Większość stosowanych dzisiaj regulatorów faz rozrządu ma konstrukcję łopatową, zintegrowaną z kołem rozrządu. Wewnętrzna część (rotor), do której przytwierdzony jest wałek rozrządu wyposażona jest w łopaty. Zewnętrzna część (stator) przymocowana jest do koła rozrządu. Ciśnienie oleju wywiera nacisk na łopaty powodując obrót. W ten sposób uzyskujemy przysunięcie fazowe rozrządu w zakresie od 15o do 40o. W tego rodzaju konstrukcji często występują mechanizm blokujący (blokada), której celem jest utrzymanie pozycji wariatora w momencie, gdy nie jest on wypełniony olejem. Zapobiega to charakterystycznemu odgłosowi stukania podczas uruchamiania silnika po dłuższym postoju, gdy olej jest już odprowadzony z powrotem do miski olejowej. Zintegrowanie regulatora faz z kołem pozwala zdecydowanie zmniejszyć wymiary oraz masę mechanizmu. Dzięki kompaktowej budowie fazatora można przeprowadzać regulację pozycji wszystkich wałków rozrządu niezależnie od siebie, dając tym samym duże pole do popisu dla konstruktorów silników.
Zalety fazatorów
Ale co tak naprawdę nam to daje? Korzyści jest wiele. Podczas pracy na biegu jałowym przestawiacze zazwyczaj znajdują się w pozycji startowej. Wałek rozrządu po stronie ssącej jest opóźniony względem wału korbowego, a wydechowy przyspieszony. Czas współotwarcia zaworów jest wtedy możliwe jak najmniejszy, dzięki czemu uzyskujemy małe straty procesu sprężania oraz spalania co przekłada się na stabilną pracę przy niskich obrotach silnika. W średnich zakresach obrotów, kiedy obciążenie silnika jest największe, wzrasta zapotrzebowanie na moment obrotowy. Wtedy właśnie do akcji wkraczają fazatory. Wałek ssący przestawiany jest w kierunku przyspieszenia, wydechowy zaś w kierunku opóźnienia. Czas współotwarcia zdecydowanie się zwiększa, wspomagając zasysanie świeżej mieszanki paliwo-powietrznej do cylindra oraz umożliwiając wewnętrzną recyrkulację spalin EGR. Podczas pracy na wysokich obrotach, gdzie moc jest priorytetem regulator ssący wraca do pozycji startowej aby wspomóc efekt samo-doładowania dynamicznego powietrzem z kolektora ssącego (efekt RAM).
Chociaż systemy zmiennej fazy rozrządu stosowane są od lat dla wielu wciąż stanowią nowość. Brak zrozumienia ich sposobu działania często prowadzi do problemów z przeprowadzeniem poprawnej diagnostyki systemu. Wiele osób bagatelizuje również potrzebę wymiany lub regeneracji regulatorów faz, a pamiętać trzeba, że jest to element, który powinno się kontrolować lub wymieniać przy każdej naprawie rozrządu. W przeciwnym razie może to doprowadzić do poważnego uszkodzenia silnika i bardzo wysokich kosztów naprawy.