С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Система изменения фаз газораспределения

Система изменения фаз газораспределения


Системы изменения фаз газораспределения

Как известно, газораспределительный механизм служит для того, чтобы впускать в цилиндр топливовоздушную смесь (или воздух, если это дизельный мотор или бензиновый с непосредственным впрыском) и выводить из цилиндра отработавшие газы.

Режим работы впускных и выпускных клапанов имеет три характеристики: в какое время они открываются и закрываются относительно движения поршня в цилиндре, на какую высоту открываются, и как долго остаются открытыми.

Сложность для конструкторов заключается в том, что для разных нагрузок двигателю нужен разный  режим работы впускных и выпускных клапанов. Чем меньше обороты, тем позже должны открываться и закрываться впускные клапаны. И, соответственно, чем выше обороты, тем раньше. Подробно об этом можно почитать в статье «Система изменения фаз газораспределения Toyota VVT-i, VVTL-i». Также, чем больше обороты, тем больше двигателю нужно топливовоздушной смеси, и тем выше должны подниматься клапаны, обеспечивая больший зазор.

Как же обеспечить изменение фаз работы клапанов, если приводящий их в движение распредвал вращается равномерно? Начиная еще с 19 века конструкторы думали над этой проблемой, но до 1980-х годов фазы газораспределения автомобильных двигателей были настроены «компромиссно». Фактически, фазы были настроены на средние обороты (в этом режиме двигатели работают больше всего). При этом двигатель работал неэффективно и на холостых потреблял больше топлива, а на высоких – терял потенциальную мощность.

Первый серийный автомобиль с изменяемыми фазами газораспределения – это Alfa Romeo Spider 2000 1980 года. Систему изменения фаз газораспределения итальянцы испытывали в течение 70-х годов и изначально задумывали как способ снизить расход топлива. Однако затем смогли поднять мощность двигателя на высоких оборотах. Система VVT, придуманная конструкторами Alfa Romeo, могла изменять угол поворота распредвала по отношению к приводной шестерне. Контроль за углом осуществлялся с помощью механической передачи.

В 1987-м концерн Nissan выпустил модель 350ZX с системой NVTC. Это был первый серийный автомобиль, в котором система изменения фаз газораспределения управлялась электроникой.

В 1989-м Honda выпустила на рынок сразу три модели (Civic, Integra, CRX) с системой изменения высоты и продолжительности открытия клапанов (VTEC) – это был принципиально другой подход к регулированию фаз.

В 1992-м на модели Porsche 968 появилась первая бесступенчатая система изменения фаз VarioCam. Угол поворота распредвала на этом автомобиле изменялся не ступенчато, а плавно, имея бесконечное число значений. VarioCam того поколения работал только с впускными клапанами.

В 2001-м BMW выпустили первый в мире искровой двигатель без дросселя. Количеством воздуха во впуске управляла система изменения фаз Valvetronic.

В 2009-м на новом Alfa Romeo MiTo появился двигатель с принципиально иной гидравлической системой управления фазами газораспределения MultiAir. Она позволила одновременно изменять как момент открытия/закрытия, так и продолжительность и высоту открытия клапанов.

В 2010-м компания Mitsubishi выпустила первый дизельный двигатель с системой изменения фаз газораспределения MIVEC. 

Все вышеперечисленные системы изменения фаз газораспределения – механические (кроме MultiAir). Помимо них существуют и другие, менее популярные способы регулировки режима работы клапанов. Самая, наверное, перспективная – это электромеханическая с полным отказом от распредвалов. Вместо валов клапаны в этой системе управляются электромагнитами. Это позволяет наиболее точно подобрать момент открытия/закрытия, продолжительность и высоту открытия. Однако из-за сложности механизма он пока что получается слишком дорогим, и на серийных автомобилях по состоянию на 2017 год не применяется.

KnowCar - понятная энциклопедия по устройству автомобилей, где сложное описано простым языком, с иллюстрациями и видео, а статьи рассортированы по разделам. Энциклопедия в процессе наполнения. Если есть вопросы или предложения, свяжитесь с командой. Все контактные данные - внизу сайта.

Система изменения фаз газораспределения

Система изменения фаз газораспределения (общепринятое международное название Variable Valve Timing, VVT) предназначена для регулирования параметров работы газораспределительного механизма в зависимости от режимов работы двигателя.

Применение данной системы обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, топливную экономичность и снижение вредных выбросов. К регулируемым параметрам работы газораспределительного механизма относятся: • момент открытия (закрытия) клапанов; • продолжительность открытия клапанов; • высота подъема клапанов. В совокупности эти параметры составляют фазы газораспределения – продолжительность тактов впуска и выпуска, выраженную углом поворота коленчатого вала относительно «мертвых» точек. Фаза газораспределения определяется формой кулачка распределительного вала, воздействующего на клапан. На разных режимах работы двигателя требуется разная величина фаз газораспределения. Так, при низких оборотах двигателя фазы газораспределения должны иметь минимальную продолжительность («узкие» фазы). На высоких оборотах, наоборот, фазы газораспределения должны быть максимально широкими и при этом обеспечивать перекрытие тактов впуска и выпуска (естественную рециркуляцию отработавших газов). Кулачок распределительного вала имеет определенную форму и не может одновременно обеспечить узкие и широкие фазы газораспределения. На практике форма кулачка представляет собой компромисс между высоким крутящим моментом на низких оборотах и высокой мощностью на высоких оборотах коленчатого вала. Это противоречие, как раз и разрешает система изменения фаз газораспределения. В зависимости от регулируемых параметров работы газораспределительного механизма различают следующие способы изменяемых фаз газораспределения: • поворот распределительного вала; • применение кулачков с разным профилем; • изменение высоты подъема клапанов. Наиболее распространенными являются системы изменения фаз газораспределения, использующие поворот распределительного вала: • VANOS (Double VANOS) от BMW; • VVT-i (Dual VVT-i), Variable Valve Timing with intelligence от Toyota; • VVT, Variable Valve Timing от Volkswagen; • VTC, Variable Timing Control от Honda; • CVVT, Continuous Variable Valve Timing от Hyundai, Kia, Volvo, General Motors; • VCP, Variable Cam Phases от Renault. Принцип работы данных систем основан на повороте распределительного вала по ходу вращения, чем достигается раннее открытие клапанов по сравнению с исходным положением.

Конструкция системы изменения фаз газораспределения данного типа включает гидроуправляемую муфту и систему управления этой муфтой.

Схема системы автоматического изменения фаз газораспределения

Гидроуправляемая муфта (обиходное название фазовращатель) непосредственно осуществляет поворот распределительного вала. Муфта состоит из ротора, соединенного с распределительным валом, и корпуса, в роли которого выступает шкив привода распределительного вала. Между ротором и корпусом имеются полости, к которым по каналам подводится моторное масло. Заполнение той или иной полости маслом обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и соответственно поворот распределительного вала на определенный угол. В большинстве своем гидроуправляемая муфта устанавливается на распределительный вал впускных клапанов. Для расширения параметров регулирования в отдельных конструкциях муфты устанавливаются на впускной и выпускной распределительные валы. Система управления обеспечивает автоматическое регулирование работы гидроуправляемой муфты. Конструктивно она включает входные датчики, электронный блок управления и исполнительные устройства. В работе системы управления используются датчики Холла, оценивающие положения распределительных валов, а также другие датчики системы управления двигателем: частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, расходомер воздуха. Блок управления двигателем принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия на исполнительное устройство – электрогидравлический распределитель. Распределитель представляет собой электромагнитный клапан и обеспечивает подвод масла к гидроуправляемой муфте и отвод от нее в зависимости от режимов работы двигателя. Система изменения фаз газораспределения предусматривает работу, как правило, в следующих режимах: • холостой ход (минимальные обороты коленчатого вала); • максимальная мощность; • максимальный крутящий момент. Другая разновидность системы изменения фаз газораспределения построена на применении кулачков различной формы, чем достигается ступенчатое изменение продолжительности открытия и высоты подъема клапанов. Известными такими системами являются: • VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control от Honda; • VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence от Toyota; • MIVEC, Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control от Mitsubishi; • Valvelift System от Audi.

Данные системы имеют, в основном, схожую конструкцию и принцип действия, за исключением Valvelift System. К примеру, одна из самых известных система VTEC включает набор кулачков различного профиля и систему управления.

Схема системы VTEC  

Распределительный вал имеет два малых и один большой кулачок. Малые кулачки через соответствующие коромысла (рокеры) соединены с парой впускных клапанов. Большой кулачок перемещает свободное коромысло. Система управления обеспечивает переключение с одного режима работы на другой путем срабатывания блокирующего механизма. Блокирующий механизм имеет гидравлический привод. При низких оборотах двигателя (малой нагрузке) работа впускных клапанов производится от малых кулачков, при этом фазы газораспределения характеризуются малой продолжительностью. При достижении оборотов двигателя определенного значение система управления приводит в действие блокирующий механизм. Коромысла малых и большого кулачков соединяются с помощью стопорного штифта в одно целое, при этом усилие на впускные клапаны передается от большого кулачка. Другая модификация системы VTEC имеет три режима регулирования, определяемые работой одного малого кулачка (открытие одного впускного клапана, малые обороты двигателя), двух малых кулачков (открытие двух впускных клапанов, средние обороты), а также большого кулачка (высокие обороты). Современной системой изменения фаз газораспределения от Honda является система I-VTEC, объединяющая системы VTEC и VTC. Данная комбинация существенным образом расширяет параметры регулирования двигателя. Наиболее совершенная с конструктивной точки зрения разновидность системы изменения фаз газораспределения основана на регулировании высоты подъема клапанов. Данная система позволяет отказаться от дроссельной заслонки на большинстве режимов работы двигателя. Пионером в этой области является компания BMW и ее система Valvetronic. Аналогичный принцип использован и в других системах: • Valvematic от Toyota; • VEL, Variable Valve Event and Lift System от Nissan; • MultiAir от Fiat;

• VTI, Variable Valve and Timing Injection от Peugeot.

Схема системы Valvetronic

  В системе Valvetronic изменение высоты подъема клапанов обеспечивает сложная кинематическая схема, в которой традиционная связь кулачок-коромысло-клапан дополнена эксцентриковым валом и промежуточным рычагом. Эксцентриковый вал получает вращение от электродвигателя через червячную передачу. Вращение эксцентрикового вала изменяет положение промежуточного рычага, который, в свою очередь, задает определенное движение коромысла и соответствующее ему перемещение клапана. Изменение высоты подъема клапана осуществляется непрерывно в зависимости от режимов работы двигателя.

Система Valvetronic устанавливается только на впускные клапаны.

Система изменения фаз газораспределения Toyota VVT-i, VVTL-i

VVT-i расшифровывается как Variable Valve Timing with intelligence, то есть «интеллектуальное изменение фаз клапанов». Она является более поздним аналогом ниссановской N-VCT. Принцип ее работы основан на вращении распределительного вала относительно приводной шестерни с помощью гидромуфты (фазовращателя).

В зависимости от давления масла внутри муфты распредвал поворачивается (не прекращая вращения) на тот или иной угол по отношению к шестерне. Система VVT-i может изменять угол поворота распредвала для трех разных режимов работы двигателя.

На двигателях с классической системой ГРМ распредвал настроен «компромиссно», чтобы впускные клапаны открывались чуть раньше, чем поршень в четвертом такте достигнет верхней мертвой точки и вытолкнет все отработанные газы в систему выпуска через выпускные клапаны.

Делается это потому, что воздух (или топливовоздушная смесь) поступает в камеру сгорания не сразу после открытия впускного клапана, а с небольшой задержкой. Соответственно, клапан нужно открыть пораньше, чтобы пока поршень внизу, в камеру сгорания успело попасть побольше воздуха или смеси. Правда, когда впускной клапан открывается с опережением (когда еще не закрылся выпускной), в систему впуска попадает некоторое количество отработавших газов. На средних и высоких оборотах это не вредно, скорее – полезно. Некоторая часть газов, не успевшая покинуть цилиндр через выпускной клапан, сжигается повторно, отчего больше частиц СО2 и NO2 разлагается на безопасные элементы.  Кроме того, в момент, когда открыты впускные клапаны вместе с выпускными, газы более интенсивно выходят из камеры сгорания, и поршню легче двигаться наверх. Соответственно, на преодоление сопротивления газов тратится меньше полезной мощности, и падает расход топлива.

Однако на холостых оборотах во впускной коллектор поступает мало воздуха, и давление в системе впуска низкое. В результате во впускаемый воздух или топливовоздушную смесь попадает слишком много отработавших газов, и получившаяся в итоге смесь плохо горит. 

Поэтому VVT-i на холостых оборотах заставляет распредвал смещаться чуть назад, отчего впускные клапаны открываются позже обычного – тогда, когда поршень находится в верхней мертвой точке и отработанных газов в цилиндре нет. В результате газы из впуска и выпуска не смешиваются, мотор работает ровно (что от него на холостых, собственно, и требуется).

В режиме спокойной езды «в полпедали», когда дроссельная заслонка открыта примерно наполовину, VVT-i возвращает распредвал в среднее положение, поворачивая его чуть вперед. Соответственно, впускные клапаны открываются чуть раньше, и во впуск успевает попасть некоторое количество отработанных газов. Поскольку давление на впуске уже достаточно высокое, эти газы более успешно выталкиваются обратно в цилиндр, и слишком много во впуск их не попадает. Как мы уже говорили раньше, выхлопные газы в этом режиме лучше разлагаются, сопротивление поршню в четвертом такте снижается, и двигатель, опять же, работает так, как требует от него обстановка.

Когда дроссельная заслонка открыта полностью, от мотора требуется уже максимум отдачи. Система VVT-i сдвигает распредвал вокруг своей оси еще чуть вперед. Соответственно, впускные клапаны открываются еще раньше, но более высокое давление на впуске почти не дает просочиться туда выхлопу.

Зачем нужно открывать клапан еще раньше? Чтобы в цилиндр попало максимум воздуха или топливовоздушной смеси! Но на высоких оборотах также важно закрыть клапан сразу после того, как цилиндр наполнился. Это происходит до того, как поршень достигнет нижней мертвой точки. Если клапаны будут открыты хотя бы на чуть-чуть в тот момент, когда поршень снова пойдет наверх, часть смеси просочится обратно во впуск и не сгорит. Меньше сгоревшей смеси – меньше энергии, ниже эффективность работы двигателя.

Итак, еще раз: на холостых оборотах впускные клапаны поздно закрываются и поздно открываются, на средних – открываются и закрываются в режиме двигателя с классическим ГРМ, а на высоких – рано открываются и рано закрываются.

Важно понимать, что поворачиваясь относительно шестерни, распредвал не прекращает своего вращения. То есть, под воздействием муфты он либо кратковременно «обгоняет» коленвал, либо наоборот «отстает».

Сам поворот вала относительно шестерни обеспечивают лепестки ротора внутри гидравлической муфты. Перемещает лепестки моторное масло, которое подается в муфту под давлением.  Масло в муфту подает электромагнитный клапан. Команду на его открытие дает электронный блок управления двигателем. Тот, в свою очередь, получает информацию о нагрузке на двигатель от датчика расхода воздуха и датчика положения дроссельной заслонки. Для контроля за ситуацией ЭБУ также мониторит температуру двигателя с помощью датчика температуры охлаждающей жидкости, а также фиксирует текущее положение коленвала (через датчик положения коленвала) и распредвалов (через датчики Холла).

В этом получасовом фильме наглядно показаны суть и принцип работы системы VVT-i.

Развивая свою технологию VVT-i, компания Toyota вскоре сумела скомбинировать ее с системой регулировки высоты поднятия клапанов, изначально реализованной Honda в своей VTEC. Так появилось следующее поколение системы – VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence.

Система изменения фаз газораспределения VTEC

Когда в 1989 году компания Honda выпустила первый двигатель с системой VTEC, механизм изменения фаз газораспределения был известен уже давно – Alfa Romeo презентовали его в 1980-м.  Но другие производители работали исключительно над изменением момента открытия и закрытия клапанов, для чего меняли угол положения распредвала относительно приводной шестерни. Honda пошли принципиально иным путем и разработали конструкцию, способную изменять высоту подъема клапанов. 

У распредвала VTEC на каждый цилиндр приходится по три срощенных кулачка – один большой и два маленьких по краям. Соответственно, большой рассчитан на поднятие клапанов на большую высоту и максимальную мощность, а маленькие открывают клапана ненамного.

В режиме низких оборотов клапана вращают именно они, толкая два коромысла. Большой же кулачок фактически работает вхолостую, толкая центральное коромысло, которое ни с чем не связано. Однако, когда водитель открывает дроссель и тем самым дает команду на подъем оборотов, электронный блок управления двигателем задействует специальный стопорный штифт, который выдвигается и соединяет между собой все три коромысла. После этой операции маленькие кулачки работают вхолостую, а большой поднимает и среднее коромысло, и два боковых, высоко поднимая клапаны и обеспечивая хороший приток воздуха (или топливовоздушной смеси, в зависимости от типа впрыска).

Более поздняя версия этой системы предлагает не два, а три режима работы – она называется 3 stage VTEC (трехуровневый VTEC). На самых низких оборотах задействован только один малый кулачок распредвала, который открывает один клапан. Второй малый и большой толкают свободные коромысла. Таким образом, на низких оборотах 16-клапанный двигатель временно становится 8-клапанным. За счет этого экономится топливо.

Примечательно, что система VTEC может использоваться как на двухвальных (DOHC), так и более простых одновальных (SOHC) двигателях. 

Технологию VTEC, хотя она и была запатентована, довольно быстро переняли конкуренты. В частности, Toyota вскоре «прибавила» механизм изменения высоты поднятия клапанов к своей системе изменения момента открытия и закрытия VVT-i. В результате в аббревиатуре появилась буква L (lift, подъем) и получился VVTL-i. Таким же образом ниссановская система N-VCT эволюционировала в NVTCS.

Правда, компания Honda тоже не замедлила перенять опыт коллег. Следующее поколение VTEC получило фазовращатели (гидромуфты для поворота распредвалов), и VTEC стал i-VTEC.

KnowCar - понятная энциклопедия по устройству автомобилей, где сложное описано простым языком, с иллюстрациями и видео, а статьи рассортированы по разделам. Энциклопедия в процессе наполнения. Если есть вопросы или предложения, свяжитесь с командой. Все контактные данные - внизу сайта.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости