Для чего нужен фазовращатель в двигателе?

Принцип работы фазовращателя

Для чего нужны фазовращатели

ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

ФАЗОВРАЩА́ТЕЛЬ — уст­рой­ст­во для из­ме­не­ния фа­зы элек­трических (элек­тро­маг­нит­ных) ко­ле­ба­ний. При­ме­ня­ет­ся в ав­то­ма­ти­ке, пре­об­ра­зо­вательной, из­ме­рительной и СВЧ-тех­ни­ке для из­ме­не­ния фор­мы вход­но­го сиг­на­ла, ком­пен­са­ций фа­зо­вых ис­ка­жений сиг­на­лов, фа­зо­вой мо­ду­ля­ции, соз­да­ния за­дан­ных фа­зо­вых сдви­гов сиг­на­лов в ко­ге­рент­ных ра­дио­сис­те­мах (напр., в фа­зи­ро­ван­ных ан­тен­ных ре­шёт­ках) и др.

Большинство современных ДВС все более активно получают систему изменения фаз газораспределения.

Фиксированные фазы газораспределения заставляют конструкторов ДВС проектировать мотор так, чтобы присутствовала уверенная тяга в диапазоне низких и средних оборотов, но при этом оставался запас мощности для поддержания набранной скорости и дальнейшего ускорения автомобиля при выходе ДВС на режимы около зоны максимальных оборотов.

Система изменения фаз газораспределения VVT (англ. Variable Valve Timing) создана для динамичной корректировки рабочих параметров механизма газораспределения.

Данное управление осуществляется с учетом различных режимов работы силового агрегата.

Эта система позволяет добиться повышения мощности мотора и моментной характеристики. Она обеспечивает экономию горючего, а также снижает токсичность выхлопных газов в процессе работы двигателя.

Кроме этого, она влияет на основные параметры работы газораспределительного механизма. К таким параметрам относят моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, длительность времени открытия клапана и высоту его подъема. От этого зависит продолжительность такта впуска и выпуска, что выражается тем углом, на который повернут коленчатый вал двигателя по отношению к мертвым точкам (ВМТ и НМТ) во время движения поршня в цилиндре. Форма кулачка распределительного вала определяет фазу газораспределения, так как указанный кулачок оказывает прямое воздействие на впускной или выпускной клапан ГРМ.

Для чего необходима система изменения фаз газораспределения

В режиме холостого хода наиболее рациональными становятся «узкие» фазы газораспределения, под которыми понимается позднее открытие и ранее закрытие клапанов. При этом исключается перекрытие фаз, под которым понимается время одновременного открытия впускного и выпускного клапана. Это необходимо для того, чтобы исключить попадание выхлопных газов во впуск и выброс топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор.

Выход мотора на режим максимальной мощности означает повышение оборотов, так как распредвал крутится быстрее и время открытия клапанов сокращается. Для того чтобы не терялась мощность и крутящий момент на высоких оборотах сохранялся, в двигатель должно поступать намного больше топливно-воздушной смеси, а выпуск отработавших газов должен быть реализован максимально эффективно. Задача решается путем раннего открытия клапанов и увеличения времени их открытия, делая фазу «широкой». Фаза перекрытия также расширяется до максимума с ростом оборотов, что необходимо для качественной продувки цилиндров.

Если мотор работает на низких оборотах, нужны максимально короткие фазы газораспределения.

Время открытия клапана должно быть увеличено до максимума, параллельно обеспечивая такты впуска и выпуска, а также эффективное перекрытие.

Сам кулачок распредвала имеет форму, которая способна обеспечить как реализацию узкой, так и широкой фазы.

Проблема заключается в том, что фиксированная форма кулачка не позволяет одновременно добиться узких и широких фаз газораспределения.

Системы изменения фаз газораспределения

система поворота распредвала;

кулачки распредвала с различным профилем;

система изменения высоты подъема клапанов;

система на основе гидроуправляемой муфты;

Работа указанных выше систем основывается на небольшом повороте распредвала по ходу его вращения. Такой способ позволяет добиться раннего открытия клапанов сравнительно с их базовым начальным положением.

Поворот распредвала осуществляется при помощи электроники управления и гидравлики, а сама система чаще всего затрагивает только впускные клапаны. Рост оборотов ДВС приводит к тому, что фазовращатель осуществляет проворот распредвала по ходу его вращения, впускные клапана открываются раньше и цилиндры намного более эффективно наполняются рабочей смесью в режиме высоких оборотов.

Данная муфта конструктивно включает в себя:

ротор, который соединен с распредвалом;

корпус, которым выступает шкив привода распредвал.

В определенные полости, которые расположены между ротором и корпусом-шкивом, попадает моторное масло из системы смазки ДВС. Масло в муфту подается по особым каналам. Когда моторное масло заполняет одну или другую полость муфты, осуществляется поворот ротора по отношению к корпусу. Этот поворот ротора означает, что и распределительный вал будет повернут на необходимый угол.

Чаще всего местом установки гидроуправляемой муфты становится привод того распределительного вала, который отвечает за работу впускных клапанов. Встречаются также конструкции ДВС, когда подобные муфты-фазовращатели стоят как на впускном распредвале, так и на выпускном. Данное решение позволяет шире и эффективнее регулировать параметры работы ГРМ на впуске и выпуске, но усложняет механизм.

Фазовращатели ГРМ

Электронное управление автоматически регулирует работу гидроуправляемой муфты.

Система такого управления включает в себя:

группу входных датчиков;

электронный блок управления;

список исполнительных устройств.

Система управления получает показания от датчика Холла, который производит оценку положения распредвалов. Дополнительно задействованы и другие датчики, которые используются ЭБУ для управления работой всего двигателя.

К таковым относят датчик, измеряющий частоту вращения коленвала, температурный датчик охлаждающей жидкости (ОЖ), датчик расхода воздуха и другие. Сигналы от этих датчиков подаются в ЭБУ, который после отправляет соответствующий сигнал на специальное управляющее (исполнительное) устройство.

Таким устройством, на которое воздействует электронный блок управления двигателем, является электромагнитный клапан (электрогидравлический распределитель). Клапан представляет собой распределитель, который при необходимости открывает доступ потоку моторного масла к гидроуправляемой муфте, а также реализует отвод масла от фазовращателя. Это зависит от того, в каком режиме работает силовой агрегат.

Данная схема изменения фаз газораспределения с использованием муфты задействуется в момент работы двигателя на холостом ходу, (мотор работает на самых низких оборотах), в режиме максимальной мощности на высоких оборотах, а также в том режиме, когда осуществлен выход ДВС на максимум крутящего момента.

Система ступенчатого изменения фаз газораспределения

Здесь используются решения, основанные на использовании кулачков распредвала разной формы. Благодаря такому способу удается достичь ступенчатого изменения момента времени, на который открывается клапан, а также изменить саму высоту подъема клапанов. Распределительный вал в таких системах управления фазами газораспределения выполнен так, что имеет сразу два кулачка малого размера, а также один кулачок большего размера. Меньшие кулачки при помощи специального рокера (коромысла) соединяются с впускными клапанами. Большой кулачок отвечает за перемещение одного незадействованного коромысла.

Трехступенчатое регулирование фаз газораспределения

Такая система позволяет переключаться с малых кулачков на большой зависимо от режима работы ДВС. Переход между режимами достигается благодаря тому, что происходит срабатывание специального механизма блокировки. Указанный блокирующий механизм основан на гидравлическом приводе.

Когда мотор работает на низких оборотах и при незначительной нагрузке, впускные клапаны приводятся в действие малыми кулачками распределительного вала, фазы газораспределения в таком режиме имеют небольшую продолжительность (узкая фаза).

Если двигатель раскручивается до определенных оборотов, система управления активирует механизм блокировки. В результате происходит соединение коромысел малых и большого кулачков, что обеспечивает жесткость конструкции. Соединение происходит при помощи особого стопорного штифта, а усилие на впускные клапаны начинает поступать от единственного большого кулачка. Малые кулачки распредвала на высоких оборотах двигателя становятся неактивными.

Выход на режим максимальных оборотов заставляет впускные клапаны работать от центрального кулачка большого размера. Указанный кулачок имеет особый профиль, который специально подобран для достижения максимального подъема клапанов, что означает повышение отдачи от ДВС на мощностных режимах работы агрегата. Такой подход значительно расширил возможности управления параметрами ГРМ для эффективного регулирования работы двигателя на различных режимах.

Системы изменения фаз газораспределения

В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования.

Чтобы варьировать фазами газораспределения, необходимо изменять положение распределительного вала относительно коленчатого.

Холостой ход. На этом режиме работы следует устанавливать такой угол поворота распределительного вала, который соответствует самому позднему началу открытия впускных клапанов (максимальный угол задержки, при минимальном перекрытии клапанов). Этим обеспечивается минимальное поступление отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя и снижение расхода топлива.

Режим низких нагрузок. Перекрытие клапанов уменьшается для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.

Режим средних нагрузок. Перекрытие клапанов увеличивается, что позволяет снизить «насосные» потери, при этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет снизить температуру рабочего цикла и вследствие этого содержание оксидов азота в отработавших газах.

Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала. На этом режиме обеспечивается раннее закрытие впускных клапанов, что обеспечивает увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель бо­лее четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно в транспортном потоке.

Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала. Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо перекры­тие клапанов около ВМТ с большим углом поворота коленчатого вала. Это связано с тем, что мощность в наиболь­шей степени зависит от максимально возможного количества топливно-воздушной смеси, попадающей в цилиндр за ко­роткое время, но, чем выше частота вращения, тем меньше время, отводимое на заполнение цилиндра.

Главными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

  • улучшение качества работы двигателя на холостом ходу
  • снижение расхода топлива
  • оптимизация крутящего момента в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала
  • увеличение внутренней рециркуляции отработавших газов с сопутствующим ей снижением температуры газов при сгорании и уменьшением выброса оксидов азота
  • увеличение мощности в области высоких частот вращения коленчатого вала
Читайте также  Ремонт и регулировка топливной аппаратуры дизельных двигателей

Зачем менять фазы газораспределения

Задача механизма газораспределения — обеспечить наивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения, зависит экономичность мотора, мощность и развиваемый момент.

Качество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.

В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.

В большинстве современных двигателей фазы меняться не могут. И работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопа) в цилиндре, а также во впускном и выпускном трактах меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

Так, например, для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.

При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.

Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Вот так задачка!

Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими.

А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них — применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

Но неуёмные инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами. Например, в тойотовской системе после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

Изменять момент и продолжительность открытия — это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).

Чем вредна заслонка? Она ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно приводит? К большой инертности разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшению качества наполнения цилиндра свежим зарядом, снижению отдачи и уменьшению скорости отклика на нажатие педали газа.

Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения нужного наполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По разным данным, экономия от применения системы бездроссельного управления может составлять от 8% до 15%, прирост мощности и момента в пределах %. Но и это не последний рубеж.

Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.

В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы — прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?

Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это — уже совсем другой разговор.

Современные системы управления фазами ГРМ

Фаза газораспределения непосредственно определяет эффективность работы двигателя внутреннего сгорания. Фаза ГРМ означает своевременное открытие и закрытие клапанов, а также время клапанов в открытом состоянии.

До момента появления фазовращателей, на всех моторах кулачок распределительного вала непосредственно воздействовал на клапан, и определял время открытия клапанов, время, при котором клапан открыт, а также высоту подъема клапана. Отмечу, что движение топливовоздушной смеси и отработанных газов отличается в зависимости от типа режима работы мотора. Этот параметр определяет эффективность работы двигателя.

При наличии фиксированной фазы газораспределительного механизма, перед конструкторами силовых агрегатов стоит серьезная задача — сделать двигатель таким образом, чтобы в режиме минимальных и средних оборотов сохранялся крутящий момент ближе к пиковому значению, а при достижении максимальных оборотов, полка крутящего момента не упала резко. Ко всему прочему, нужно сохранить эластичность в переходных режимах, а также стабильный холостой ход. Фиксированная фаза не дает возможность охватить все режимы работы двигателя с одинаковой эффективностью, поэтому была придумана система изменения фаз ГРМ.

Система регулировки фаз позволяет в динамическом режиме изменять значения фаз, в зависимости от степени нагрузки двигателя и оборотов. Тем самым, распределительные валы смещаются в фазах, а полка крутящего момента выравнивается. Благодаря фазовращателям можно на ходу корректировать время открытия и закрытия клапанов, время перекрытия, высота подъема клапанов. Фазы газораспределения управляют моментом тактов двигателя, смещая момент фазы в ту, или иную сторону.

Что дает фазовращатель

Максимальная величина КПД на атмосферных моторах во многом зависит от фаз ГРМ. Например: в режиме холостого хода требуется максимально узкая фаза, которая означает более позднее открытие впускного или максимально раннее открытие выпускного клапана. В данном случае перекрытие клапанов исключено, когда оба клапана открыты, ведь малое количество оборотов коленвала позволяет выхлопным газам попасть во впускной коллектор, а топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор.

В режиме максимальной мощности требуется большое количество топливно воздушной смеси. Так как коленвал двигается намного быстрее, то времени на открытие клапанов остается крайне мало, отчего на некоторых моторах клапана не успевают закрываться, и “зависают”, встречаясь с поршнем.

Фазовращатель, для максимального наполнения, позволяет раньше открыть клапан, а также увеличить время его открытия, что называется “расширить фазу”. Тем самым, расширяется фаза перекрытия для обеспечения качественной продувки цилиндра.

Кулачок распредвала имеет такую форму, которая обеспечивает широкую и узкую фазу. Проблема фиксированной фазы заключается в невозможности одновременного обеспечения узкой и широкой фазы. Это говорит о том, что инженеры подобрали форму кулачка таким образом, чтобы обеспечить баланс между максимальным крутящим моментом на средних оборотах, и максимальной мощности на высоких оборотах.

Читайте также  Как поменять дизельный двигатель на бензиновый?

Фазовращатель же обеспечивает гибкость, позволяющую подстраивать фазы под конкретный режим работы мотора, а итог такого действия — достижение крутящего момента в необходимом диапазоне оборотов и топливная экономичность.

Какие бывают виды фазовращателей

В современных моторах применяются три вида регулировки фаз ГРМ:

  • система поворота распределительного вала;
  • различный профиль кулачков распредвалов;
  • механизм изменения подъема клапанов.

Гидроуправляемая муфта системы фазовращателя

Ступенчатое изменение фаз газораспределения

Посредством эволюции в моторостроении, инженерам удалось эффективно настраивает расширение и сужение фаз. Подобное решение основывается на ступенчатом исполнении кулачков. Система изменения формы кулачков применяется в моторах Honda (VTEC), Mitsubishi (MIVEC) и Toyota (VVTL-i).

Вышеуказанные системы одинаковы по принципу действия, а именно: распределительный вал здесь имеет два кулачка малой формы и один кулачок большого диаметра. Маленькие кулачки сообщаются с клапаном через рокера, а большой кулачок отвечает за движение незадействующего коромысла.

Эта система, в зависимости от режима работы мотора, позволяет переключаться между большим и малым кулачком, изменяя фазу ГРМ. Эластичность переходного режима обеспечивается гидравлическим блокирующим устройством.

При работе на малых оборотах и холостом ходу задействованы малые кулачки с узкой фазой, а при повышении нагрузки задействован широкофазный большой кулачок.

Система регулировки подъема клапана

Новатором этой технологии в 2001 году стала компания BMW с системой Valvetronic. Эта система позволила отказаться от дроссельной заслонки, а количество впускного воздуха определять высотой подъема клапана. Однако, дроссельная заслонка на двигателе присутствует но она все время открыта.

Лучшее решение от образования разряжения — это открытие клапана тогда, когда требуется максимальное наполнение цилиндра смесью. Время открытия клапана зависит от степени нажатия на педаль газа. Valvetronic позволяет экономить до 15% топлива, а также повысить мощность на 10% относительно мотора с таким же объемом.

Данная система имеет в конструкции вал-эксцентрик и промежуточный вал. Эксцентриковый вал вращается при помощи электродвигателя с червячной передачей. Вращение вала воздействует на промежуточный рычаг, который меняя свое положение, заставляет двигаться коромысло в заданном положении, согласно режиму работы ДВС.

Система работает постоянно, в зависимости от режима работы мотор, диапазон подъема клапана может варьироваться от 0,2 до 12 мм.

Современные системы фазовращателей направлены на достижение максимального КПД двигателя от своевременного смещения фазы ГРМ и нужного подъема клапана. Любая из вышеуказанных систем представляет собой сложную конструкцию, которая требует вмешательства в виде обслуживания и ремонта, как минимум раз в 150 000 км.

Плохо, что распредвал не резиновый, но еще хуже, когда масло грязное

Требования техрегламента по замене масла порой кажутся в какой-то мере надуманными, в какой-то — слишком жесткими с расчетом на некий запас и перестраховку со стороны производителя. Сюда же добавляются наше отсутствие денег или времени, чтобы вовремя обслужить автомобиль, ну, и будем откровенны — элементарные лень и забывчивость. В этой статье мы доходчиво, но тем не менее компетентно раскладываем по полочкам, почему регламент все же соблюдать необходимо, и чем закончатся (непременно «закончатся», а не «могут закончиться»!) игры с заменой масла.

При работе любого двигателя его цилиндры наполняются горючей смесью, которая затем сгорает, после чего продукты сгорания удаляются, чтобы освободить место для следующей порции горючей смеси. Эти процессы в совокупности называются газообменом.

Влияние газообмена на мощность, крутящий момент, расход топлива и токсичность выхлопных газов трудно переоценить. От того, насколько своевременно происходит газообмен, в конечном итоге зависит, что будет получено от двигателя.

Точный порядок газообмена «записан» в профиле кулачков и их угловом расположении на стержне распределительного вала. Расположение кулачков на распредвале определяет порядок работы клапанов в разных цилиндрах двигателя.

Профиль кулачка диктует, когда и как будет открываться, перемещаться и закрываться клапан, которым кулачок управляет. Моменты открытия и закрытия впускных клапанов как раз и называются фазами газораспределения, о которых знают все автомобилисты.

Что плохо — распредвал не резиновый. По причине раз и навсегда заданной формы обеспечить идеальную работу мотора он способен только в достаточно узком диапазоне скоростей вращения коленчатого вала.

Сделать кулачки с профилем, который обеспечивал бы наилучшие динамические и экономические показатели двигателя во всем диапазоне его рабочих режимов, невозможно в принципе. За попытку добиться идеального наполнения цилиндров горючей смесью и удаления отработавших газов на низких оборотах придется расплачиваться при работе двигателя на высоких оборотах и наоборот.

Компромисс тоже ведет к потерям мощности и нерациональному расходу топлива, пусть и менее ощутимым. Борьба с потерями объясняет появление в конструкции газораспределительного механизма систем, позволяющих управлять фазами газообмена в цилиндрах в зависимости от потребности на текущий момент времени.

Систем, с помощью которых можно регулировать газораспределение, придумано множество. Например, в системе VTEC, предложенной компанией Honda почти 30 лет назад, каждый отдельный клапан обслуживался сразу двумя кулачками, имеющими различный профиль. Каждый кулачок действовал на свой толкатель, а толкатели поочередно блокировались либо разблокировались при помощи внутреннего поршенька, управляемого давлением в системе смазки. В результате в зависимости от режима работы мотора кулачки через толкатели тоже воздействовали на клапана поочередно. Система была примитивной, поскольку различала лишь два режима двигателя, но Honda не останавливалась на достигнутом и постоянно модернизировала свой VTEC.

Также существуют системы, в которых вместо цельнометаллических используются составные распредвалы с подвижными кулачками, способными изменять угловое положение на стержне. Регулировать фазы можно и с помощью гидравлического натяжителя цепи, которым управляет электромагнитный клапан, изменяющий подачу масла из системы смазки в натяжитель. Правда, таким способом корректируется угловое положение только одного распредвала, коим, как правило, является распредвал впускных клапанов. В результате происходит управление лишь моментами их открытия и закрытия, а также продолжительностью перекрытия клапанов, когда в конкретном цилиндре открыты одновременно впускной и выпускной клапан.

Однако наибольшее распространение получили фазорегуляторы или, как их еще называют, фазовращатели. Представляют собой фазовращатели гидроуправляемые муфты, которые крепятся на концах распредвалов со стороны их привода. Корпус муфты жестко связан с приводом распредвала. Ротор в свою очередь соединен с распредвалом.

Регулирование углового положения вала производится с помощью электрогидравлического распределителя. В зависимости от команд блока управления двигателем золотник распределителя перемещается и открывает каналы, по которым масло из системы смазки под давлением поступает во внутреннюю полость муфты.

А далее все зависит от исполнения муфты. Есть муфты, в которых под действием давления масла корпус и ротор раздвигаются.

Связаны корпус и ротор косозубым шлицевым соединением, поэтому ротор, перемещаясь, еще и поворачивается вместе с распредвалом на определенный угол.

Другие муфты фазовращателей работают по принципу гидромотора. Поступающее в муфту масло давит на лопасти ротора с соответствующей стороны, чем обеспечивается поворот распредвала.

После поворота на нужный угол золотник распределителя устанавливается в положение, при котором в полостях с каждой стороны лопасти поддерживается одинаковое давление.

Фазорегуляторы могут использоваться только для распредвала впускных клапанов, однако для более точного регулирования фаз газораспределения необходимо их применение на каждом из распредвалов. Это позволяет изменять положение впускного и выпускного распредвалов независимо друг от друга.

Диапазон фазорегуляторов немал. В некоторых системах угол поворота составляет свыше 60 градусов. Электроника формирует команды путем сравнения информации, полученной от различных датчиков, с параметрами, заложенными в памяти. При выходе из строя управляющих компонентов системы изменения фаз муфта под давлением масла занимает строго определенное положение. Двигатель будет работать, но с понятными потерями в динамических и экономических показателях.

Исключение — неисправность датчика частоты вращения и положения коленвала. При прекращении подачи сигнала от этого датчика мотор останавливается и не может быть запущен вновь. Подобная ситуация возможна при выходе из строя сразу обоих датчиков положения впускного и выпускного распредвалов. В этом случае двигатель будет работать до первой остановки, но последующий запуск становится невозможным.

Позже появились другие системы, согласующие с режимом работы двигателя не только моменты открытия и закрытия клапанов, но и высоту подъема клапана из седла. Однако каким бы разным по концепции и конструкции регулирование газораспределения ни было, есть одно обстоятельство, которое уравнивает все системы независимо от их устройства.

Они работают благодаря нагнетанию и давлению масла в полости компонентов, поэтому срок службы механизмов, которые обеспечивают изменение фаз газораспределения, определяется увеличением зазоров по причине износа трущихся деталей. Увеличились зазоры — увеличились утечки масла, что ведет к падению давления и, как следствие, некорректному регулированию фаз.

Износ, как известно, может быть естественным и преждевременным. Ускоряют износ посторонние включения в масле. Помимо износа на работоспособность компонентов гидравлики, управляющей фазорегуляторами, способен повлиять шлам, представляющий собой отложения продуктов старения масла.

Со временем стареют уплотнения в фазорегуляторах. Их негерметичность опять-таки ведет к потерям масла и падению давления.

Фазорегуляторы могут выйти из строя также из-за износа и смятия установочных штифтов и фиксаторов. Подобный случай мы рассматривали в статье «Рвется, где тонко, или Каких бед натворила экономия в 8 рублей на цене фильтра». Уже одно название говорит, что и здесь не обошлось без проблем с маслом, создал которые масляный фильтр. Это очередной раз подтверждает значение качества смазки и необходимость соблюдения требований, установленных производителем двигателя к характеристикам моторного масла и своевременной замене масла и масляного фильтра.

Читайте также  Для чего нужны вкладыши в двигателе?

Системы изменения фаз газораспределения двигателя

Variable Valve Timing — система изменения фаз газораспределения двигателя (международное название систем такого типа)

ФИКСИРОВАННЫЕ ФАЗЫ

Фазами газораспределения принято называть моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала относительно ВМТ и НМТ.
В графическом выражении период открытия и закрытия принято показывать диаграммой.

Если мы говорим о фазах, то изменению могут поддаваться:

    • момент начала открытия впускных и выпускных клапанов;
    • продолжительность нахождения в открытом состоянии;
    • высота подъема (величина, на которую опускается клапан).

Пока ещё большинство двигателей имеют фиксированные фазы газораспределения (но тенденция стремительно меняется). Это значит, что описанные выше параметры определяются лишь формой кулачка распределительного вала. Недостаток такого конструктивного решения в том, что рассчитанная конструкторами форма кулачков для работы двигателя будет оптимальной только в узком диапазоне оборотов. Гражданские двигатели проектируются таким образом, чтобы фазы газораспределения соответствовали обычным условиям эксплуатации автомобиля. Ведь если сделать двигатель, который очень хорошо будет ехать «с низов», то на оборотах выше средних крутящий момент, как и пиковая мощность, будет слишком низким. Именно эту проблему решает система изменения фаз газораспределения.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ VVT

Суть работы системы VVT в том, чтобы в реальном времени, ориентируясь на текущий режим работы двигателя, корректировать фазы открытия клапанов. В зависимости от конструктивных особенностей каждой из систем, реализовывается это несколькими путями:

    • поворотом распределительного вала относительно шестерни распредвала;
    • включением в работу на определенных оборотах кулачков, форма которых подходит для мощностных режимов;
    • изменением высоты подъема клапанов.

Наибольшее распространение получили системы, в которых регулировка фаз осуществляется изменением углового положения распределительного вала относительно шестерни. Несмотря на то что в работу разных систем положен схожий принцип, многие автоконцерны используются индивидуальные обозначения.

  • Renault – Variable Cam Phases (VCP).
  • BMWVANOS. Как и у большинства автопроизводителей, изначально подобной системой укомплектовывался только распределительный вал впускных клапанов. Система, в которой гидромуфты изменения фаз газораспределительного механизма устанавливается и на выпускной распредвал, называется Double VANOS.
  • Toyota — Variable Valve Timing with intelligence (VVT-i). Как в случае с БМВ, наличие системы на впускном и выпускном распредвалах именуется Dual VVT.
  • Honda — Variable Timing Control (VTC).
  • Volkswagen — выбрал международное название — Variable Valve Timing (VVT).
  • Hyundai, KIA, Volvo, GM — Continuous Variable Valve Timing (CVVT).

КАК ФАЗЫ ВЛИЯЮТ НА РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ

Характер поведения газов внутри ДВС изменяется в зависимости от режима работы мотора. К примеру, на холостых оборотах скорость движения поршней значительно ниже, чем в режиме работы на максимальных оборотах. Соответственно, колебания газовой среды во впускном и выпускном коллекторах значительно зависят от режимной точки работы двигателя. Упомянутые колебания способны как приносить пользу, создавая резонансный наддув, так и вред – паразитные колебания, застои. Именно поэтому скорость и эффективность наполнения цилиндров в разных режимных точках работы двигателя значительно отличаются.

На низких оборотах максимальное наполнение цилиндров будет обеспечивать позднее открытие выпускного клапана и раннее закрытие впускного. В таком случае перекрытие клапанов (положение, в котором выпускные и впускные клапаны одновременно открыты) минимально, поэтому исключается возможность выталкивания оставшихся в цилиндре выхлопных газов обратно во впуск. Именно из-за широкофазных («верховых») распределительных валов на форсированных моторах часто приходится устанавливать повышенные обороты холостого хода.

На высоких оборотах для получения максимальной отдачи от двигателя фазы должны быть максимально широкими, так как за единицу времени поршни будут прокачивать намного больше воздуха. При этом перекрытие клапанов будет положительно влиять на продувку цилиндров (выход оставшихся выхлопных газов) и последующую наполняемость.

Именно поэтому установка системы, позволяющей подстроить фазы газораспределения, а в некоторых системах и высоту подъема клапанов, под режим работы двигателя, делает двигатель эластичней, мощней, экономичней и в то же время дружелюбней к окружающей среде.

Первооткрывателями системы изменения фаз газораспределения принято считать инженеров Honda. Они воплотили в модели Integra механизм VTEC, что позволило прибавить 1,6 литровому мотору от 40 до 60 л.с.

СИСТЕМЫ С РАЗНОЙ ФОРМОЙ КУЛАЧКОВ

Такие системы появились первыми — инженеры Honda добавили к двум кулачкам управляющими открытием клапанов еще один — третий. Он имел более высокий профиль.
На низких оборотах работали низкопрофильные кулачки, а на высоких вступал в действие высокий.
Разные автоконцерны вскоре выпустили такие системы газораспределения, но уже под другими названиями:

    • HONDA — Variable Valve Timing and Lift Electronic Control (VTEC). Если на двигателе одновременно используется и VTEC, и VVT, то такая система носит аббревиатуру i-VTEC.
    • BMWVANOS.
    • AUDI — Valvelift System.
    • TOYOTA — Variable Valve Timing and Lift with intelligence от Toyota (VVTL-i).
    • MITSUBISHI — Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control (MIVEC).

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Разберем принцип работы VTEC на примере реализации от Honda (остальные системы работают по схожему принципу).

Как вы можете увидеть из схемы, в режиме низких оборотов усилие на клапаны через коромысла передается набеганием двух крайних кулачков. При этом среднее коромысло двигается «вхолостую». При переходе в режим высоких оборотов давлением масла выдвигается запорный шток (блокирующий механизм), который превращает 3 коромысла в единый механизм. Увеличение хода клапанов достигается за счет того, что среднему коромыслу соответствует кулачок распредвала с наибольшим профилем.

Разновидность системы VTEC является конструкция, в которой режимам: низких, средних и высоких оборотов соответствуют разные коромысла и кулачки. На низких оборотах кулачком меньшей формы открывается только один клапан, в режиме средних оборотов два меньших по форме кулачка открывают два клапана, а на больших оборотах уже наибольший кулачок открывает оба клапана (3-stage SOHC VTEC).

К началу 2000 годов большинство автомобилестроителей перешли на простую и надежную систему изменения фаз, где ими управляли не кулачки, а гидравлические механизмы, расположенные в шестернях ремня ГРМ и поворачивавшие распредвал.
Несмотря на то, что, в отличие от систем подобных VTEC, поворот распредвалов не регулирует ширину фаз (ведь клапаны всегда поднимаются на одну и ту же высоту, и длительность их открытия не меняется), у него есть свои преимущества. Точнее, по принципу работы единственное, но ключевое. Эта система изменяет фазы не ступенчато — постоянно.

УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП РАБОТЫ VVT

За угловое смещение распределительного вала отвечает фазовращатель, представляющий собой гидромуфту, работой которой управляет ЭБУ двигателя.

Конструктивно фазовращатель состоит из ротора, который соединен с распредвалом, и корпуса, наружная часть которого является шестерней распределительного вала. Между корпусом гидроуправляемой муфты и ротором находятся полости заполненные маслом. Заполнение их приводит к перемещению ротора, а, следовательно, и смещению распредвала относительно шестерни. В полости масло подается по специальным каналам. Регулировка количества поступающего через каналы масла осуществляется электрогидравлическим распределителем. Распределитель представляет собой обычный электромагнитный клапан, который управляется ЭБУ посредством ШИМ-сигнала. Именно ШИМ-сигнал делает возможным плавное изменение фаз газораспределения.

Система управления, в виде ЭБУ двигателя, использует сигналы следующих датчиков:

    • ДПКВ (рассчитывается частота вращения коленчатого вала);
    • ДПРВ;
    • ДПДЗ;
    • ДМРВ;
    • ДТОЖ.

Очередной виток развития

Ступенчатое изменение продолжительности открытия и высоты подъема клапанов позволяет не только изменять фазы газораспределения, но и практически полностью снять с дроссельной заслонки функцию регулирования нагрузки на двигатель. Речь в первую очередь о системе Valvetronic от BMW. Именно специалисты БМВ впервые добились подобных результатов. Сейчас схожими разработками обладают: Toyota (Valvematic), Nissan (VVEL), Fiat (MultiAir), Peugeot (VTI).

Открытая на небольшой угол дроссельная заслонка создает значительное противодействие движению воздушных потоков. В итоге часть полученной от сгорания топливовоздушной смеси энергии уходит на преодоление насосных потерь, что негативно сказывается на мощности и экономически автомобиля.


1 — Серводвигатель; 2 — Червячный вал; 3 — Возвратная пружина; 4 — Кулисный блок; 5 — Распредвал впускных клапанов; 6 — Рампа; 7 — Гидравлическая система компенсации клапанного зазора (HVA) на стороне впуска; 8 — Впускной клапан; 9 — Выпускной клапан; 10 — Роликовый рычаг толкателя на стороне выпуска; 11 — Гидравлическая система компенсации клапанного зазора (HVA) на стороне выпуска; 12 — Роликовый рычаг толкателя на стороне впуска; 13 — Промежуточный рычаг; 14 — Эксцентриковый вал; 15 — Червячное колесо; 16 — Распредвал выпускных клапанов;

В системе Valvetronic количество поступающего в цилиндры воздуха регулируется степенью подъема и продолжительностью открытия клапанов. Реализовать это получилось при помощи внедрения в конструкцию эксцентрикового вала и промежуточного рычага. Рычаг связан червячной передачей с сервоприводом, управляет которым ЭБУ. Изменения положения промежуточного рычага смещает воздействие коромысла в сторону большего или меньшего открытия клапанов. Более подробно принцип работы показан на видео.

Сочетание фазовращателей на валах, бесступенчатой регулировки хода и длительности открытия клапанов позволяет, по оценкам инженеров, обрести 10–15%-процентное снижение расхода топлива и аналогичную прибавку крутящего момента.

Отказ от ГРМ

Сейчас есть разработки в которых полностью отсутствуют вращающиеся элементы ГРМ: такие как распределительный вал и приводной ремень(цепь), что существенно уменьшает потери на трение. Система электромагнитных соленоидов позволяет управлять работой клапанов. На каждый клапан предусмотрен отдельный соленоид, работу которого контролирует система управления.