Способы изменения фаз газораспределения двс

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).
• BMW – VANOS. 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.
• BMW – VANOS.
• 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.

Источник

Муфты изменения фаз газораспределения

Самое время поговорить про систему, найти которую можно даже на самом дешевом силовом агрегате. Как вы уже могли догадаться, речь пойдет про систему смены фаз газораспределения.

Что это такое? По какому принципу работает? Из чего состоит? Да и для чего используется? Постараемся максимально подробно ответить на все эти вопросы. Ну что, поехали!

Впервые система смены фаз газораспределения начали использовать на бензомоторах в 90-х годах прошлого века. Благодаря ее использованию удалось не только увеличить мощность, но также сделать двигатель более экономичным и экологичным. Да, система изменения фаз реально улучшает параметры ДВС и позволяет ему легко адаптироваться к нагрузкам и условиям работы.

По непонятной нам причине, в русском используется очень сложное обозначение этого механизма: «изменение фаз газораспределения». Человек далекий от темы очевидно ничего не поймет. В оригинале это понятие называется «valve timing», что дословно можно перевести как время открытия клапанов. Звучит в разы проще и понятней, не правда ли?

В реальности же, эта система отвечает за регулировку исключительно моментов открытия/закрытия впускных и выпускных клапанов. Она не может поменять высоту подъема клапанов и также не управляет временем их открытия. И да, время между их открытием и закрытием – остается неизменным.

Принимая во внимание все выше сказанное, что дает сдвигание момента подъема клапанов? Давайте остановимся на этом моменте более подробно.

Кстати, у нас в YouTube есть специальный ролик, в котором мы детально разобрали работу системы изменения фаз газораспределения.

Чтобы было максимально понятно, давайте использовать схемы работы системы смены фаз газораспределения. Дадим краткие пояснения.

Первым, что нужно понять, так это то, что благодаря рассматриваемой сегодня системе, удается сдвинуть момент открытия/закрытия клапанов относительно поршня. Представьте, что в зависимости от нагрузки выпускной клапан вполне реально открыть намного раньше момента, когда он достигнет мертвой точки, как и закрыть до того, как он достигнет мертвой точки, но уже верхней. Но можно сделать совсем иначе и сдвинуть данные моменты ближе к точке крайнего положения поршня. Похожая ситуация и с впускными клапанами: они открываются до, либо после достижения мертвой точки. Моменты открытия/закрытия бесступенчато регулируются. В противном случае поршни и клапана могут удариться друг о друга.

Кроме этого не стоит забывать, что 4 такта – это два оборота коленчатого вала, т.е. 720 градусов вращения. Распределительные валы медленнее в два раза, поэтому за 4 такта они провернутся только на 360 градусов. Про фазу впуска, такт сжатия, рабочий ход, такт выпуска.

Длительность фаз остается неизменной – они задаются профилем кулачков распределительных валов. Вот только поменяв момент начала открытия/закрытия клапанов, удается перенастроить двигатель под определенные условия работы.

Приобрести нужные запчасти на ваш автомобиль вы можете в нашем каталоге.

Детально разбирать принцип работы системы смены фаз мы будем на примере мотора, у которого есть фазокрутилки на обоих распределительных валах. А описывая функционал системы, давайте договоримся представлять силовой агрегат, у которого всего один цилиндр и по одному впускному и выпускному клапану. Так будет максимально наглядно и понятно. Но все описанное одинаково подходит для всех современных бензиновых моторов.

Как работает эта система на холостых?

На холостом ходу клапана перекрывает минимально, а цилиндр заполнен свежим воздухом, что позволяет очистить его от отработавших газов. Чтобы добиться максимальной экономии, рассматриваемая сегодня система, может задать максимально позднее открытие и закрытие впускного клапана. Благодаря этому такт сжатия становится минимальным, а рабочая смесь подается во впускной коллектор. По сути, это уменьшает такт сжатия, да и реальная степень сжатия снижается относительно геометрической. Звучит сложно? Говоря простым языком – эти манипуляции снижают рабочий объем цилиндра. А вот выпускной клапан, наоборот, открывается раньше обычного, до того, как поршень дойдет до НМТ на рабочем такте. Благодаря этому у отработавших газов будет больше времени выйти из цилиндра.

Еще стоит знать, что, изменяя момент открытия/закрытия, система смены фаз позволяет задать куда более короткий такт сжатия, попутно удлинив рабочий ход. Это все сказывается в положительную сторону на КПД двигателя и экономии.

Как работает эта система при средней нагрузке?

При движении с постоянной скоростью мотору требуется набрать достаточно мощности, только так можно добиться экономии бензина. Но еще стоит помнить про экологичность. Совместить эти два фактора кажется нереальным? А вот и нет, это вполне реально.

Решение очень элегантное: потребуется создать условия, где в цилиндры будет идти меньше воздуха и бензина. Также нужно максимально снизить внутренние потери при рабочих процессах.

Добиться этого удалось путем введения внутренней рециркуляции. Фазокрутилки устанавливают впускной клапан на самое раннее открытие, а вот выпускное – на максимально позднее. Благодаря чему, на такте выпуска перед ВМТ впускной клапан – открывается, одновременно с ним еще не успевает закрыться выпускной. Таким образом можно добиться максимального перекрытия клапанов и отработавшие газы могут быстро перейти во впуск.

А вот во время всасывания в цилиндр входит как свежая топливовоздушная смесь, так и отработавшие газы, кроме этого может засосать и не прогоревшее до конца топливо. И что самое главное, мотор отлично функционирует на получившейся смеси! У такого решения есть несколько положительных факторов: уменьшаются насосные потери, поскольку разрешение во впуске на порядок меньше, так что газы лучше идут через впускной клапан. Кроме этого в цилиндре скапливается не так много кислорода, так что и топлива в него подается меньше. Конечно, во время рециркуляции рабочий объем также снижается, но не благодаря геометрии камеры сгорания, а благодаря снижению количества топлива и воздуха, из которых и формируется искомая топливовоздушная смесь. И да, если в цилиндр входит меньше воздуха, то и температура сгорания снижается, а значит – ниже образование оксидов азота, что и делает мотор более экологичным.

А при максимальном перекрытии клапанов, длительность такта сжатия и рабочего хода – возрастают. Это и помогает улучшить эффективность силового агрегата.

Как работает эта система при полностью открытой заслонке?

Условно, работу мотора можно разделить на два этапа. На первом – когда педаль газа утоплена в пол, а мотор начинает разгоняться до максимальных оборотов. Данный режим даже имеет специальное название: «режим максимального крутящего момента». В нем, чтобы увеличить прирост крутящего момента, впускной клапан открывается раньше, так что и закрытие также идет раньше. Благодаря этому цилиндр очень быстро заполняет воздух, клапана почти не перекрыты, а такт сжатия длится максимально долго.

При возрастании скорости работы мотора, момент открытия становится более поздним. Опять же, перекрытие все еще минимальное, такт сжатия также уменьшается. А на позднем закрытии клапана на большой скорости работы мотора, цилиндр быстрее наполняется свежим зарядом. Проще говоря, забирает больший объем воздуха, который участвует в создании топливовоздушной смеси. Конечно, такт сжатия стал меньше, крутящий момент также понизился, вот только мотор все еще увеличивает скорость работы, а от этого увеличивается его КПД.

Система изменения фаз газораспределения на дизельных моторах

Дизелям вряд ли нужна система, отвечающая за смену момента открытия клапанов. В первую очередь, ДВС с воспламенением от сжатия не требуют поддержания стехиометрического состава топливовоздушной смеси. Вся фишка в том, что они хорошо функционируют на максимально обедненном составе, где превалирует содержания воздуха, так что им не требуются дополнительные меры, которые позволят увеличить количество подаваемого в цилиндры воздуха.

Кроме этого у дизелей нет нужды в дросселировании, так что разряжение во впускном коллекторе снижено до минимума и нет проблем с отложенным впуском.

Старые атмосферники были не очень быстрыми, отсюда и росли ноги проблем с заполнением цилиндров новым воздухом.

У современного поколения двигателей с воспламенением от сжатия есть турбонаддувы, а значит больше не нужны дополнительные манипуляции для улучшения работы клапанного механизма.

И да, благодаря высочайшей степени сжатия в дизелях возможно добиться открытия впускного клапана и позднего закрытия выпускного. А вот о перекрытии речи и быть не может.

Но стоит признать, что все же существуют турбодизельные моторы у которых есть возможность смены фаз. Например, компания Мицубиши выпускает такие моторы уже более 10 лет. Например, это ДВС 4N1, которые ставят на кроссоверы компании, идущие на рынки Центральной Европы. Да, у нас подобные моторы – редкость, но узнать подобный турбодизель легко по специальной маркировке DiD MIVEC.

Существуют фазорегуляторы и на двигателях VAG 1.6 TDI и 2.0 TDI, правда они идут под Евро-6. Отличительная черта данных моторов в поперечном расположении клапанов, благодаря чему всего один фазовращатель на распределительном валу отвечает за открытие одного впускного и выпускного клапана во всех цилиндрах.

Вот только смена фаз на этих моторах была введена, по большей части, для того, чтобы следовать строгим экологическим нормам.

Как функционируют муфты данной системы?

Теперь давайте поговорим непосредственно про смену момента открытия клапанов. Для функционирования всей системы нужно обеспечить свободу распределительных валов относительно вращения и, следовательно, относительно положения коленчатого вала и поршней.

И это стало возможно благодаря гидравлическим муфтам, которые управляются золотниковыми клапанами. Сейчас все производители задействуют муфты с лопастным ротором. Внешняя часть – статор, фиксируется с ремнем ГРМ или цепью. А во внутренней части расположен ротор, который стыкуется с распределительным валом. Лопасти ротора разделяют внутреннее пространство на 3-5 полостей, наполняемых маслом, которое подается не только перед лопастями, но и позади. Благодаря чему ротор может провернуться. Получается, что распределительный вал проворачивается относительно коленчатого, опаздывая, либо опережая коленвал.

За процесс подачи моторного масла отвечает еще один золотник, приводимый соленоидом. В корпус этого клапана также подается масло, попадающее чего центральный канал. И вполне логично, что каналы подачи масла есть до и после лопастей. Во время перемещения, золотник направляет масло в канал «ранних», либо «поздних» фаз. Соленоид – это катушка индуктивности, которая отвечает за перемещение золотника по сигналу от «мозгов» (ЭБУ).

Муфта впускного распределительного вала задает более широкий поворот относительно коленчатого вала: порядка 25-30 градусов опережения/опаздывания, а вообще система может устанавливать положение распредвала в пределах данного диапазона.

Стандартно, либо при неисправности работы данного системы, муфта фиксируется в режиме холостого хода, в таком случае впускные клапаны будут открываться намного позже BMT.

Муфта же выпускного распределительного вала может задавать опережение на 20 градусов, а система не позволяет выбирать промежуточные положения. В момент старта мотора, муфта обеспечивает нормальное положение, в котором выпускной клапан закроется чуть раньше BMT. Этот режим работает всегда, кроме холостого хода.

Во время перехода на холостые, муфта выпускного распределительного вала переходит на второе положение – когда впускной клапан откроется чуть раньше, чем HMT, а закроется намного раньше, нежели BMT.

С какими проблемами можно столкнуться в работе муфт изменения фаз газораспределения?

В принципе, неисправностей не так много. В муфтах имеется буквально несколько пар трения между статором и ротором. Старое и грязное масло провоцирует износ этих пар, из-за чего и появляется утечка масла. И да, не стоит забывать, что масло в камеры муфт подается не непрерывно: золотник открывается до достижения желаемого угла распределительного вала и закрывается. Так что если закачанное в камеры масло – вытекло, то угол установки распределительного вала становится более поздним. ЭБУ начинает повторно подавать команду на достижение раннего угла. Все это приводит к тому, что вырастает число срабатываний, а значит, внутрь зайдет еще больше загрязненного масла, что приведет к ускоренному износу муфты.

У первых версий моторов, лопасти роторов были его неотъемлемой частью. Затем были введены конструкции, где лопасти были сделаны в виде лопатки-шиберы, по аналогии с насосом ГУР, и вставлялись в пазы ротора. Получалась не самая надежная конструкция: шиберы быстро наклонялись в посадочных пазах, а это приводило к утечкам масла.

В лопастных муфтах есть стопор – миниатюрный штифт, фиксирующий ротор и статор, когда давление масла падает до нуля. Порой стопор просто изнашивается, так что во время запуска – сильно гремит, но противный звук пропадает после того, как он наполнится маслом.

Можно столкнутся с выходом из строя определенных частей системы, к примеру, нередко отказывает датчик положения распределительного вала, либо управляющего клапана, из-за чего система переходит в режим позднего открытия. Это приводит к понижению мощности мотора.

Винтовые муфты старого образца

У первых вариаций моторов можно увидеть винтовые муфты. Ротор скользит относительно статора в продольном направлении на шлицах, словно гайка по резьбе винта. Благодаря этому и происходит поворот распределительного вала относительно коленчатого. Подобная конструкция используется на двигателях компаний: БМВ, Вольво, Мерседес, Лексус.

У муфты компании Вольво нередки проблемы с герметичностью, что приводит к утечкам масла. А от выработки можно появится люфт между статором и ротором, что также приведет к утечкам.

А вот муфты Мерседес можно только похвалить, правда, ее придется менять в случае, когда изношенная цепь ГРМ обточила ее зубья.

Система смены фаз на двигателях Фольксваген

В конце 90-х и начале 2000-х, на моторах концерна VAG с 5-ю клапанами на цилиндр механизм смены фаз газораспределения представлял собой гидронатяжитель межраспредвальной цепи. Данный натяжитель сменял длину верхней, либо нижней ветви цепи, благодаря чему менялся поворот впускного распределительного вала относительно коленчатого.

Перейдя по ссылке можно проверить наличие на авторазборке конкретных автомобилей, с них также можно приобрести нужные запчасти.

Источник