С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Фазовращатель в двигателе

Фазовращатель в двигателе


Принцип работы механизмов газораспределения — DRIVE2

Принцип работы механизмов газораспределенияРегулируемые фазы газораспределенияВ современных двигателях последних моделей, особенно европейских и японских производителей, механизмы, позволяющие изменять коэффициент наполнения цилиндров за счет изменения перекрытия клапанов. Благодаря регулируемым фазам газораспределения можно влиять как на количество свежего заряда, так и на долю остаточных отработавших газов. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала и от степени открытия дроссельной заслонки поведение поступающего в цилиндр заряда и выход из него отработавших газов сильно меняются. При установке постоянных фаз газораспределения газообмен возможно оптимизировать лишь для определенного диапазона частот вращения. Регулируемые фазы газораспределения позволяют вносить корректировки с учетом изменения частоты вращения коленчатого вала и различного наполнения цилиндров рабочей смесью.Все это в результате дает следующие преимущества:• Увеличение выходной мощности двигателя;• Получение благоприятной характеристики изменения крутящего момента в широком диапазоне оборотов коленчатого вала;• Снижение содержания вредных веществ в отработавших газах;• Уменьшение расхода топлива;•Снижение шумности работы двигателя.В обычном двигателе коленчатый и распределительный валы связаны друг с другом механически (посредством зубчатого ремня, шестерен или цепи).В двигателях с регулированием фаз газораспределения с помощью поворота распределительного вала можно добиться его «рассогласования» с положением коленчатого вала, благодаря чему изменится перекрытие клапанов.Поворот распределительного вала осуществляется посредством электрического или электрогидравлического привода. Простые устройства могут устанавливать вал только в одном из двух положений. Более сложные устройства позволяют в пределах определенного диапазона плавно поворачивать распределительный вал относительно коленчатого.В современных быстроходных двигателях открытие впускного клапана происходит в среднем за 10-35° до прихода поршня в в.м.т., а закрытие — через 40-85° после н.м.т. Выпускной клапан закрывается через 10-30° после прохода в.м.т. Однако указанные средние пределы открытия и закрытия клапанов по конструктивным соображениям могут быть изменены как в большую, так и в меньшую сторону.Для получения максимальной мощности необходимо обеспечить максимально возможные значения углов опережения открытия и запаздывания закрытия впускных клапанов. На высоких оборотах двигателя наполнение цилиндра происходит благодаря инерции газового потока при еще открытом впускном клапане во время подъема поршня. Наоборот, на низких оборотах двигателя большое значение запаздывания закрытия впускного клапана вызывает частичное вытеснение из цилиндра заполнившей его свежей рабочей смеси, что приводит к значительному уменьшению крутящего момента двигателя.Рассмотрим устройство и принцип действия фазорегулятора на примере двигателя RENAULT F4P.Двигатель F4P оборудован одним фазорегулятором, установленным в зубчатом шкиве впускного распределительного вала (рис.1).Шкив состоит из двух частей: крыльчатки с лопатками, закрепленной на распределительном валу и цилиндра с камерами, закрепленного на зубчатом шкиве распределительного вала. При определенных условиях электронный блок управления (ЭБУ) выдает управляющую команду на электромагнитный клапан. Открытый клапан обеспечивает подачу масла под давлением по центральному каналу распределительного вала. Масло поступает через центральное отверстие крыльчатки и отверстие для подъема плунжера. Под воздействием давления масла плунжер смещается вверх и освобождает крыльчатку, в результате чего под действием давления масла лопатки крыльчатки и, соответственно, фазорегулятор поворачиваются в направлении максимального запаздывания закрытия впускных клапанов. При снятии управляющего напряжения на электромагнитном клапане лопатки крыльчатки возвращаются в исходное положение под действием вращения двигателя, после чего плунжер блокирует всю систему в положении минимального запаздывания впускных клапанов.Электромагнитные управляющие клапаны (рис. 2) обеспечивают подачу масла под давлением к фазорегуляторам распределительного вала. При прекращении подачи управляющего напряжения на электромагнитные клапаны от ЭБУ фазорегуляторы возвращают распределительные валы в положение минимального запаздывания впускных клапанов, обеспечивая тем самым получение максимального крутящего момента на малых оборотах.На автомобилях с двигателем F4P фазорегулятор распределительного вала действует при соблюдении следующих условий:Частота вращения коленчатого вала двигателя выше 1500 об/мин.Давление во впускном трубопроводе выше 500 мбар.Температура охлаждающей жидкости выше 30°C.Управление фазами перекрытия клапанов осуществляется ЭБУ на основе сигналов датчиков положения коленчатого и распределительного валов, температуры охлаждающей жидкости и скорости автомобиля. При этом диапазон регулирования угла поворота распределительного вала в режиме холостого хода составляет –5-5?, а в режиме резкого увеличения оборотов 0-30? При этом отношение включенного состояния клапана фазорегулятора составляет 0-2% и 0-60% соответственно.Зная принцип действия и диапазон регулирования, можно диагностировать клапаны фазорегулятора по нескольким параметрам. Для этого необходимо иметь сканер, осциллограф и измеритель разрежения. Отметим, что ЭБУ двигателем не всегда выдает ошибку при неисправности или подклинивании клапана фазорегулятора.При заклинивании управляющего электромагнитного клапана в открытом положении или фазорегулятора в положении максимального опережения открытия впускных клапанов, двигатель неустойчиво работает на холостом ходу, давление во впускном трубопроводе чрезмерно высокое (выше 360 мбар).На осциллограмме представлены зависимости угла поворота распределительного вала от рабочего цикла клапана фазорегулятора. Отчетливо видно, как от подклинивающего плунжера клапана дестабилизируется угол поворота распределительного вала. Отсюда неустойчивая работа двигателя на холостом ходу и в режиме переменных нагрузок (2000-2500 мин-1).В некоторых случаях при полностью заклинившем клапане двигатель вообще не работает на холостом ходу.

Практика показывает, что заклинивание клапана чаще всего вызвано наличием загрязнений в системе смазки двигателя. Это весьма характерно для российских условий, поскольку дороги у нас традиционно грязнее европейских. Для безотказной эксплуатации двигателей, оснащенных системами фазорегуляции, можно рекомендовать сокращение пробега до замены масла.

Фазы газораспределения в поршневых двигателях — DRIVE2

Интересная статейка (двигатель 1.8Т AUQ/AUM имеет изменяемые фазы газораспределения):Kачество 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. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

Фазы газораспределения в поршневых двигателях внутреннего сгорания — это моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (окон). Фазы газораспределения обычно выражаются в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов.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.

Тюнеры часто мудрят со сдвигом фаз при помощи таких сборных звёздочек. Заменив штатный распредвал на «спортивный» с другими фазами, можно добиться существенной прибавки мощности.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.

Хондовская VTEC (Variable Valve Timing and Electronic Control) так же, как и тойотовская VVT-I (Variable Valve Timing with intelligence), позволяет плавно изменять фазы газораспределения фазовращателем с гидравлическим управлением. Это достигается путём поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных клапанов в диапазоне 40—60° (по углу поворота коленчатого вала).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.

Doppel-VANOS (Doppel Variable Nockenwellen Steuerung) от BMW умеет двигать фазы плавно от начального до конечного значения. При помощи гидравлики система заведует как процессами впуска, так и выпуска.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.

Механизм газораспределения 3,2-литровой «шестёрки» FSI от Audi приводится цепями со стороны маховика. У каждого распределительного вала свой фазовращатель.

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 VVTL-i 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 6000—6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

Система Valvetronic позволила отказаться от дроссельной заслонки, система меняет и степень открытия клапанов и фазы. Применяется она на моторах BMW с 2001 года. Ход клапана меняется при помощи электродвигателя и сложной кинематической схемы и пределах 0,2–12 мм.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.

Система Variable Valve Event and Lift System (VEL), разработанная Ниссаном, напоминает баварский Valvetronic. Специальный эксцентрик, который приводится от электродвигателя, смещает точку опоры коромысла, и за счёт этого изменяет ход клапана. Высота подъёма варьируется в пределах 0,5–2 ммПоэтому 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 5—15 %. Но и это не последний рубеж.

Так работает «трёхступенчатый» i-VTEC (Intelligent Variable Valve Timing and Lift Electronic Control). На низкой частоте вращения топливо экономится благодаря тому, что половина впускных клапанов практически дезактивирована. При переходе на средние обороты ранее «дремавшие» клапаны включаются в работу, но их амплитуда не максимальна. На мощностных режимах впускные клапаны начинают работать от единственного центрального кулачка. Он обеспечивает максимальный подъём клапанов, кроме того, его профиль специально заточен под мощностные режимы. Управление режимами осуществляется гидравликой и электроникой.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.

Осенью 2007 года Toyota запустит в производство моторы с газораспределительным механизмом Valvematic, который будет изменять не только фазы газораспределения, но и высоту подъёма впускных клапанов. Не секрет, что многие производители достаточно давно применяют подобные системы. Но Toyota в серию такую систему запускает впервые. Мощность двухлитрового атмосферника 1AZ-FE, благодаря новому газораспределительному механизму, удалось поднять со 152 до 158 сил, а момент — с 194 до 196 Нм.газораспределительный механизм Valvematic

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?

А это схема работы механизма VVTL-i, предложенная компанией Toyota. Здесь высота подъёма и продолжительность открытия обоих впускных клапанов изменяются скачкообразно. При работе двигателя на частотах вращения коленчатого вала до 6000 об/мин высота подъёма и продолжительность открытия обоих клапанов задаются кулачком (1), который через рокер (5) воздействует на оба клапана. На оборотах выше 6000 закон движения клапанов задаётся более высоким кулачком (2). Чтобы ввести его в строй, нужно переместить сухарь (3) вправо (сухарь перемещается под давлением масла, которое в нужный момент повышается в управляющей магистрали). После того как сухарь переместился вправо, кулачок (2) через шток (4), который до этого времени свободно качался, начинает воздействовать на клапаны через рокер.Опытный образец четырёхцилиндрового мотора с электромагнитным приводом клапанов и непосредственным впрыском был создан компанией BMW. Здесь количество воздуха, поступающего в цилиндр, регулируется продолжительностью открытия клапана, ход при этом не регулируется. Якорь подпружиненного клапана помещён между двумя мощными электромагнитами, которые призваны удерживать его только в крайних положениях. Чтобы предотвратить ударные нагрузки, каждый раз при приближении к крайнему положению клапан тормозится. Положение и скорость перемещения клапана фиксируются специальным датчиком.

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.

Сдвиг по фазе: двигатель

Прав был Козьма Прутков, когда говорил: «Специалист подобен флюсу: полнота его одностороння»! Конечно, узкая специализация в автомобильном мире неизбежна, но ведь далеко не все могут себе позволить иметь несколько автомобилей для различных задач. Приходится идти на компромиссы, подыскивая универсальные решения в виде идеального автомобиля — с двигателем небольшого объема, но мощным, с высоким крутящим моментом, но не слишком прожорливым, экологичным, но эластичным. И несмотря на то что эти требования противоречат друг другу, такое вполне возможно. Для примирения противоречивых характеристик двигатели оснащают системами управления фазами газораспределения.

Фазовращатель

Как устроен ГРМ

Напомним, как устроен газораспределительный механизм (ГРМ) в традиционном двигателе с двумя верхними распредвалами (DOHC, Dual Overhead Camshafts) без каких-либо систем коррекции. Задача ГРМ — в нужные моменты впускать в цилиндры двигателя горючую смесь и выпускать отработавшие газы. Для этого открывают и закрывают соответствующие впускные и выпускные клапаны, приводимые от распределительного вала с расположенными на нем кулачками. Вращение распредвала жестко синхронизировано с вращением коленчатого вала с помощью цепной, зубчатой или зубчатоременной передачи. Такой двигатель оптимизирован для работы в определенном диапазоне оборотов: для городских машин это обычно область низких и средних оборотов, для спортивных — высоких.

Оптимальные фазы газораспределения

Фазовращение

Описанный выше двигатель не имеет гибкости в выборе моментов впуска и выпуска. Можно, конечно, заняться тюнингом и поменять распредвалы, но это приведет к улучшению одних характеристик в ущерб другим, ведь для каждого режима работы двигателя оптимальные фазы открытия и закрытия впускных клапанов различны. Над тем, как изменять фазы газораспределения в нужную сторону, автоинженеры начали думать еще в 1960-х. А в начале 1990-х такие системы стали ставить в массовые автомобили. Рассмотрим разработанную конструкторами Mitsubishi систему электронного управления фазами газораспределения MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system).

Фазы впуска и выпуска

Выбрать момент

Распредвалы двигателя с системой MIVEC оснащены не обычными шестернями ГРМ, а фазовращателями. Это муфты, способные «подкручивать» распредвал относительно его начального положения в ту или иную сторону в небольших пределах. В зависимости от оборотов и нагрузок на двигатель электронная система дает команду электромагнитному клапану гидравлической системы, и давлением масла внутренняя часть фазовращателя регулирует угол опережения или запаздывания открытия и закрытия клапанов.

XL — это eXtra Large, то есть очень большой размер. Mitsubishi Outlander XL вполне оправдывает это наименование. Честно говоря, когда мы брали эту машину на тест-драйв, я все еще думал, что эти буквы производитель приписал для красного словца. Однако оказалось, что это действительно большая машина. И хотя это кроссовер, он «косит» под настоящий джип — с раздельной дверью багажника, нижняя половинка которой откидывается, образуя горизонтально платформу. Двигатель с системой MIVEC и вариатор обеспечивают плавный, но не слишком быстрый разгон — мощности не хватает для такой массы. А вот ходовые качества меня разочаровали: я не успел проверить машину на бездорожье, но в городе жесткая и довольно громкая подвеска дает о себе знать даже на ямах, а просто на чуть неровном асфальте.

На холостом ходу такая система старается минимизировать перекрытие фаз (то есть время, когда впускные и выпускные клапаны открыты одновременно), иначе выхлопные газы попадут во впускной коллектор, а часть горючей смеси — в выпускной. А вот чтобы добиться на низких оборотах достаточного крутящего момента, нужно закрывать впускные клапаны с опережением, а выпускные открывать с запаздыванием для увеличения степени расширения (и тем самым эффективности цикла). Для улучшения продувки цилиндров перекрытие фаз нужно увеличивать по мере повышения оборотов. Применение такой системы дает возможность не только увеличить момент и мощность на низких оборотах, но и уменьшить потребление топлива, выбросы выхлопных газов, а также минимизировать шум и вибрацию двигателя.

Системы регулирования фаз

Эффективность работы ДВС главным образом определяется организацией процесса газообмена, то есть качественным и своевременным наполнением и очисткой цилиндров. Эта задача возлагается на газораспределительный механизм и зависит от фаз газораспределения – моментов и продолжительности открытого состояния впускных и выпускных клапанов. Если клапаны открыты непродолжительное время, фазы называют «узкими». Чем дольше открыты клапаны – тем фазы «шире».

При низких оборотах коленвала объемы и скорость движения горючей смеси и отработанных газов невелики, поэтому фазы должны быть узкими, а перекрытие (время одновременного открытия впускных и выпускных клапанов – минимальным. В этом случае свежая смесь не вытесняется в выпускной коллектор через открытый выпускной клапан и, соответственно, отработанные газы не попадают во впускной. Если же «расширить» фазы на низких оборотах, отработанные газы смешаются с рабочей смесью, снизив тем самым ее качество и вызвав падение мощности и неустойчивую работу двигателя.

С ростом оборотов пропорционально увеличиваются объемы и скорость движения перекачиваемой смеси и отработанных газов в единицу времени, поэтому необходимы «широкие» фазы и большее время перекрытия для лучшей продувки цилиндров. Продувка – вытеснение выхлопных газов из цилиндра движущейся с большой скоростью топливовоздушной смесью.

Ширина фаз определяется формой кулачков распределительного вала. Чем больше высота кулачка – тем выше высота подъема клапана. Чем «тупее» его конец – тем больше время максимального подъема клапана. Таким образом, подбирая форму кулачков, конструкторы могут настроить двигатель на работу только в определенном диапазоне оборотов. При проектировании обычного дорожного автомобиля разрабатывается усредненный распредвал для компромиссного баланса между мощностью и экономичностью. При отклонении от этого диапазона, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, эффективность ДВС будет снижаться. Например, «узкофазный» мотор не позволит развить высокую мощность, а «широкофазный» будет неустойчиво работать на малых оборотах, что вынудит увеличивать частоту оборотов холостого хода. Следовательно, идеальным решением было бы изменять ширину фаз в зависимости от оборотов двигателя. Так появились системы регулирования фаз газораспределения.

Для технической реализации идеи регулирования фаз было создано множество конструкций. Для их описания потребуется не одна страница. Поэтому ознакомимся с устройством только нескольких — как простых, проверенных временем систем, так и самых современных.

Поворот распредвала

Одним из способов регулирования фаз газораспределения является изменение положения распределительного вала относительно его первоначального положения в зависимости от режимов работы двигателя. Для примера рассмотрим систему Variable Valve Timing (VVT), применяемую на автомобилях Фольксваген. Она предназначается для оптимизации фаз при работе двигателя на режимах холостого хода, максимальной мощности и максимального крутящего момента.

В систему VVT входят следующие компоненты:

  • Две гидроуправляемые муфты (другое название — фазовращатели), установленные на впускном и выпускном распределительных валах. Обе муфты подключены через корпус механизма газораспределения к системе смазки двигателя. Муфты состоят из встроенного в звездочку вала наружного корпуса и неподвижно соединенного с валом ротора. Корпус и ротор могут смещаться относительно друг друга
  • Корпус механизма газораспределения, установленный на головке блока цилиндров двигателя. Внутри корпуса проходят каналы для подвода и отвода масла к обеим муфтам поворота распределительных валов.
  • Два электрогидравлических распределителя. Эти распределители установлены на корпусе механизма газораспределения. Они служат для регулирования подвода масла из системы смазки двигателя к обоим фазовращателям.
Сдвиг фаз VVT Состав системы VVT Управление системой VVT Фазовращатель Работы системы VVT

Управление системой VVT осуществляется блоком управления двигателя. Получая данные с датчиков о частоте вращения коленвала, нагрузке двигателя, температуре охлаждающей жидкости, а также о мгновенном положении коленчатого и распределительных валов, ЭБУ выдает сигнал на электрогидравлические распределители. Распределители открывают соответствующие каналы подвода масла, расположенные в корпусе механизма газораспределения. Масло из системы смазки двигателя поступает в гидроуправляемые муфты, которые поворачивают распределительные валы.

На режиме холостого хода впускной вал поворачивается таким образом, чтобы обеспечить более позднее открытие и соответственно более позднее закрытие впускных клапанов, а выпускной вал поворачивается так, что выпускной клапан закрывается задолго до прихода поршня в ВМТ. В результате количество отработанных газов в смеси снижается до минимума, что благоприятствует стабилизации сгорания в цилиндрах двигателя и повышению равномерности его работы на данном режиме.

Для достижения максимальной мощности при высокой частоте вращения вала двигателя производится задержка открытия выпускных клапанов. Благодаря этому увеличивается продолжительность давления газов на поршень на такте рабочего хода. Впускной клапан открывается после ВМТ и закрывается относительно поздно после НМТ. При этом динамические процессы во впускной системе используются для получения эффекта дозарядки цилиндров и соответствующего увеличения мощности двигателя.

Для получения максимального крутящего момента необходимо обеспечить возможно больший коэффициент наполнения цилиндров. Для этого необходимо раньше открывать и соответственно закрывать впускные клапаны, чтобы не допустить обратный выброс смеси из цилиндров во впускной трубопровод. При этом выпускные клапаны закрываются с небольшим опережением до ВМТ. Более подробно с работой системы VVT можно ознакомиться здесь (формат PDF).

Подобные системы устанавливают в своих двигателях Renault (VCP), BMW (VANOS/Double VANOS), Toyota (VVT-i), Honda (VTC). Некоторые из них используют фазовращатели только на впускном распредвалу, некоторые, как и VVT – на обоих. Недостатком подобных систем является то, что они способны только сдвигать фазы в ту или другую сторону, но не могут «сужать» или «расширять» их.

Переключение фаз

Устройство системы VTEC

Такими возможностями обладает, например, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control (VTEC), созданная инженерами Honda. Она способна расширять фазы на высоких оборотах путем изменения высоты подъема клапана. Со времени своего создания система претерпела несколько модернизаций. Здесь рассмотрим ее третью версию – систему DOHC i-VTEC. Она представляет собой симбиоз системы VTEC с системой VTC (Variable Timing Control). Именно наличие VTC добавило в обозначение системы букву «i».

Основой VTEC любого поколения является использование трех кулачков на каждую пару клапанов. Коромысел, соответственно, тоже три. Два крайних коромысла расположены непосредственно над клапанами, третье – между ними. Два крайних кулачка низкопрофильные и предназначены для обеспечения оптимальной работы на низких и средних оборотах. Усилие от среднего высокопрофильного кулачка передается на клапана только на высоких оборотах.

Работы системы VTEC

Для тех, кто не изучал английский:-) At low engine speeds — При низких оборотах двигателя At higher engine speeds — При высоких оборотах двигателя Low valve lift — Низкий подъем клапанов High valve lift — Высокий подъем клапанов Disengaged — Отключено

Synchronizing pin — Синхронизирующий штифт

Как это происходит? Примерно до 5500 об/мин газораспределение обеспечивается крайними кулачками через свои коромысла. Среднее коромысло хоть и приводится в действие кулачком, но на клапана никакого воздействия не оказывает – система VTEC отключена. При дальнейшем увеличении частоты вращения включается система VTEC. Блок управления отдает команду и управляемый давлением масла штифт, сдвигаясь, замыкает между собой все три коромысла. Таким образом, они составляют единое среднее коромысло, на которое воздействует только средний кулачок. В результате высота подъема клапанов, а вместе с ней и ширина фаз возрастает, обеспечивая лучшее наполнение и очистку цилиндров. Система VTEC устанавливается и на впускной, и на выпускной распредвалы.

А что же система VTC? Она, в отличие от VTEC, работает во всем диапазоне оборотов, регулируя момент открытия впускных клапанов в зависимости от нагрузки на двигатель. Конструктивно она аналогична описанной выше системе VVT, то есть представляет собой фазовращатель, установленный на впускном распредвалу. VTC позволяет дополнительно увеличить мощность, крутящий момент, снизить расход топлива и вредные выхлопы, изменяя фазы газораспределения путем доворачивания распредвала в нужную сторону.

Системы, подобные VTEC, выпускаются и другими производителями, например Toyota (VVTL-i), Mitsubishi (MIVEC). Их недостатком является ступенчатое переключение фаз между узкими и широкими. А в идеале хотелось бы достичь плавного регулирования, позволяющего более точно подстроиться под режим работы двигателя.

Плавное (бесступенчатое) регулирование

И такие системы были созданы! Первой появилась Valvetronic от BMW, в которой фазы регулируются плавным изменением высоты подъема впускных клапанов. Благодаря этой системе впервые удалось создать бензиновый ДВС без дроссельной заслонки. Вскоре аналогичные технологии освоили Nissan (VVEL) и Toyota (Valvematic). Последнюю революционную разработку представил Фиат под названием MultiAir. Мотор 1,4 Turbo, оснащенный этой системой, завоевал престижное звание «Двигатель года» в 2010 году.

Состав системы MultiAir Система MultiAir Возможности системы MultiAir

В системе MultiAir используется один распредвал, который приводит и впускные, и выпускные клапана. Но если выпускные клапана механически управляются кулачками, то на впускные воздействие от кулачков передается через специальную электрогидравлическую систему. Именно в ней и состоит новизна. Впускные кулачки нажимают на поршни, а те через электромагнитный клапан передают усилие на рабочие гидроцилиндры, которые уже воздействуют на впускные клапана. Главный узел – именно клапан, регулирующий давление в системе. Он имеет только два положения: открыт-закрыт. Если он открыт, давление в системе отсутствует, и усилие на клапан не передается. Поэтому, управляя моментом и длительностью открытия электромагнитного клапана за то время, пока кулачок воздействует на поршенек, можно добиться любого алгоритма открытия впускных клапанов. А значит, ширину фаз можно плавно регулировать от 0 до 100%. Максимальная ширина фазы определяется профилем впускного кулачка распредвала.

При движении с полной нагрузкой электромагнитный клапан закрыт, и впускные клапаны имеют жесткую связь с распредвалом – фазы максимальные. В режиме же частичных нагрузок, наполнив цилиндр необходимым объемом воздуха, электромагнитный клапан отключается, закрывая тем самым впускной клапан. Управление поступлением воздуха посредством впускных клапанов позволило отказаться от применения дроссельной заслонки – главного источника насосных потерь. А уменьшение потерь автоматически приводит к экономии топлива, повышению мощности, крутящего момента и снижению вредных выбросов.

Преимущества Multiair перед другими аналогичными системами состоят в простоте, надежности и низкой стоимости производства. В перспективе ожидается применение Multiair и для выпускных клапанов, что еще больше расширит ее возможности. Например, при малых нагрузках вспышки в цилиндрах можно производить через цикл, что даст ощутимую экономию. А если в каком-то цилиндре произойдет пропуск вспышки, то неиспользованная смесь не уйдет на выхлоп, так как клапан не откроется, а сгорит в следующем цикле. На очереди у конструкторов – ГРМ без распредвала.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости