Что такое система изменения фаз газораспределения

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 MultiAirСистема MultiAirВозможности 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.

Изменяемые фазы газораспределения

Разберем основные варианты, используемые в современном автомобилестроении. Каждый из них доказал свою эффективность и проверен на сотнях тысяч машин. Какой из вариантов выбирать – непринципиально: при правильной эксплуатации ресурс примерно одинаков.

За счет поворота распредвала

Этот вариант используют ведущие автопроизводители – Тойота, Фольксваген, Дженерал Моторс, Вольво, Хонда, Киа и Рено. Первыми массово эксплуатируемыми авто в стране можно назвать БМВ с легендарной системой ВАНОС, в которой регулировалось положение распределительного вала. Особенности работы:

На распредвале расположена гидравлическая муфта, которая при необходимости меняет угол узла, тем самым изменяя фазы газораспределения. Если распредвалов два, то и муфты может быть две.
Узел расположен внутри корпуса ГБЦ. Управление муфтами реализовано за счет давления масла, поэтому в них есть масляные каналы. Регулировка происходит за счет электрогидравлических датчиков изменения фаз газораспределения или электромагнитных клапанов.
Муфта изменения угла представляет собой ротор, который зафиксирован на распредвале и корпус, который одновременно служит шкивом ГРМ. Внутри узла есть масляные каналы и камеры. В них подается масло, за счет чего ротор меняет свое положение по отношению к корпусу. Это и обеспечивает корректировку вала.
Управляет системой ЭБУ, на который подается вся необходимая информация о работе двигателя: данные с датчиков Холла, скорость вращения коленвала, температура и расход воздуха, температура антифриза. Анализируя показатели, ЭБУ корректирует распредвал так, чтобы обеспечить эффективную работу двигателя.

Этот вариант достаточно надежен. Проблемы чаще всего возникают с муфтами, которые со временем начинают работать некорректно или просто блокируются в одном положении и не регулируются. Чаще всего в таких ситуациях требуется замена вышедшего из строя узла.

Изменение фаз за счет разной формы кулачков на распредвале

Подобные системы используют Хонда, Митсубиси, Тойота и Ауди. Этот вариант даже проще в устройстве, но при этом дает хороший эффект. Его основные особенности:

Регулируется система впрыска, поэтому на каждый цилиндр приходится по два впускных клапана. При этом управление ими производится с помощью 3 коромысел и 3 кулачков на распределительном валу (крайние кулачки маленькие, средний большой).
При малых оборотах двигателя задействованы только крайние коромысла и кулачки. Фазы газораспределения короткие, что обеспечивает экономное расходование топлива.
При увеличении оборотов привод системы (гидравлический блокирующий узел) блокирует все коромысла и работа производится за счет большого кулачка, так как он намного выше. За счет этого фазы газораспределения удлиняются и обеспечивается большая мощность.

В усовершенствованном варианте на распределительном валу три кулачка разной высоты. На малых оборотах открывается только один клапан. В среднем диапазоне задействуется уже два клапана, а при больших нагрузках работает средний кулачок самого большого размера.

Система регулировки за счет изменения высоты подъема клапанов

Была разработана в начале нулевых годов инженерами БМВ, потом ее стали использовать такие марки, как Пежо, Фиат, Тойота и Ниссан. Многие специалисты считают этот вариант самым совершенным, так как из конструкции можно исключить дроссельную заслонку, что улучшает регулировку подачи топливной смеси. Особенности:

Состоит из сервопривода с червячным валом и возвратной пружиной, впускного и выпускного распредвала, червячной шестерни, эксцентрикового вала и элементов впуска и выпуска.
Системой управляет ЭБУ, собирающий информацию с многочисленных датчиков, установленных на двигателе и в выпускном тракте. После обработки данных он передает сигнал на сервопривод, который через червячный вал воздействует на эксцентриковый вал. Далее через промежуточный рычаг и коромысло выставляется высота подъема впускных клапанов, что и обеспечивает правильную подачу топлива.

Этот вариант при всей своей сложности имеет большое преимущество: возможность регулировать фазы газораспределения максимально точно во всем диапазоне оборотов.

Использование двигателя с регулировкой фаз газораспределения позволит экономить топливо и наслаждаться отличной динамикой при езде. Лучше отдавать предпочтение именно таким вариантам.

Принцип действия VVT

Суть работы системы VVT в том, чтобы в реальном времени, ориентируясь на 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.

Рено – Variable Cam Phases (VCP).
БМВ – 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.
Тойота – Variable Valve Timing with intelligence (VVT-i). Как в случае с БМВ, наличие системы на впускном и выпускном распредвалах именуется Dual VVT.
Хонда – Variable Timing Control (VTC).
Фольксваген в данном случае поступили более консервативно и выбрали международное название – Variable Valve Timing (VVT).
Хюндай, Киа, Вольво, 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 (подробней об акустическом наддуве в статье о системе изменения геометрии впускного коллектора), 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.

Типичный эффект корректировки времени

Позднее закрытие впускного клапана (LIVC)
Первый вариант непрерывной регулировки фаз газораспределения включает в себя удерживание впускного клапана открытым немного дольше, чем в традиционном двигателе. Это приводит к тому, что поршень фактически выталкивает воздух из цилиндра и обратно во впускной коллектор во время такта сжатия. Выбрасываемый воздух заполняет коллектор с более высоким давлением, и при последующих тактах всасывания всасываемый воздух находится под более высоким давлением. Было показано, что позднее закрытие впускного клапана снижает насосные потери на 40% в условиях частичной нагрузки и снижает выбросы оксида азота ( NOx ) на 24%. Пиковый крутящий момент двигателя снизился всего на 1%, а выбросы углеводородов остались без изменений.

Раннее закрытие впускного клапана (EIVC)
Другой способ уменьшить насосные потери, связанные с низкими оборотами двигателя в условиях высокого вакуума, – это закрытие впускного клапана раньше, чем обычно. Это включает закрытие впускного клапана в середине такта впуска. Требования к воздуху / топливу настолько низки в условиях низкой нагрузки, а работа, необходимая для заполнения цилиндра, относительно высока, поэтому раннее закрытие впускного клапана значительно снижает насосные потери. Исследования показали, что раннее закрытие впускного клапана снижает насосные потери на 40% и увеличивает экономию топлива на 7%. Это также снизило выбросы оксида азота на 24% в условиях частичной нагрузки. Возможным недостатком преждевременного закрытия впускного клапана является то, что оно значительно снижает температуру камеры сгорания, что может увеличить выбросы углеводородов.

Раннее открытие впускного клапана
Раннее открытие впускного клапана – еще один вариант, который имеет значительный потенциал для сокращения выбросов. В традиционном двигателе для контроля температуры цилиндра используется процесс, называемый перекрытием клапанов. При раннем открытии впускного клапана часть инертного / сгоревшего выхлопного газа будет обратно выходить из цилиндра через впускной клапан, где он на мгновение охлаждается во впускном коллекторе. Затем этот инертный газ заполняет цилиндр на последующем такте впуска, что помогает контролировать температуру цилиндра и выбросы оксида азота. Это также улучшает объемный КПД, поскольку во время такта выпуска выхлопных газов требуется меньше.

Раннее / позднее закрытие
выпускного клапана Время раннего и позднего закрытия выпускного клапана можно изменять для снижения выбросов. Обычно выпускной клапан открывается, и выхлопной газ выталкивается из цилиндра в выпускной коллектор поршнем, когда он движется вверх. Управляя синхронизацией выпускного клапана, инженеры могут контролировать, сколько выхлопных газов осталось в цилиндре. Удерживая выпускной клапан открытым немного дольше, цилиндр опорожняется больше и готов к заполнению большим количеством воздуха / топлива на такте впуска. Если закрыть клапан немного раньше, в цилиндре остается больше выхлопных газов, что увеличивает топливную экономичность. Это позволяет более эффективно работать в любых условиях.

Неисправности системы изменения фаз газораспределения

Изменять фазы газораспределения можно различными способами, и последнее время наиболее распространен поворот р/валов, хотя нередко применяется метод изменения величины подъема клапанов, использование распределительных валов с кулачками измененного профиля. Периодически в газораспределительном механизме возникают различные неисправности, из-за которых мотор начинает работать с перебоями, «тупит», в некоторых случаях и вовсе не запускается. Причины возникновения неполадок могут быть разными:

неисправен электромагнитный клапан;
засорилась грязью муфта изменения фаз;
вытянулась цепь газораспределительного механизма;
неисправен натяжитель цепи.

Часто при возникающих неисправностях в этой системе:

снижаются холостые обороты, в некоторых случаях ДВС глохнет;
значительно увеличивается расход топлива;
двигатель не развивает обороты, машина порой не разгоняется даже до 100 км/ч;
мотор плохо запускается, его приходится гонять стартером несколько раз;
слышен стрекот, идущий из муфты СИФГ.

По всем признакам основная причина проблем с двигателем – выход из строя клапана СИФГ, обычно при этом компьютерная диагностика выявляет ошибку этого устройства. Следует отметить, что лампа диагностики Check Engine загорается при этом не всегда, поэтому трудно понять, что сбои происходят именно в электронике.

Часто проблемы ГРМ возникают из-за засорения гидравлики – плохое масло с частицами абразива забивает каналы в муфте, и механизм заклинивает в одном из положений. Если муфту «клинит» в исходном положении, ДВС спокойно работает на ХХ, но совсем не развивает оборотов. В случае, когда механизм остается в положении максимального перекрытия клапанов, движок может плохо запускаться.

Устройство и принцип действия механизма газораспределения

Газораспределительный механизм (ГРМ) состоит из:

одного или двух кулачковых распределительных валов, на каждый из которых установлена своя шестерня;
шестерни коленчатого вала;
цепного или ременного привода.

Число зубьев шестерни распределительного вала всегда в 2 раза больше, чем у шестерни коленчатого вала.

Благодаря этому за два оборота коленчатого вала происходит лишь один оборот распределительного вала. Это позволяет открывать и закрывать клапаны головки блока цилиндров (ГБЦ) в зависимости от такта двигателя. Фазы газораспределения зависят от расположения кулачков распределительного вала. Поэтому на одновальных двигателях возможна только одновременная регулировка фаз впуска и выпуска.

В бензиновых и дизельных двигателях применяется механизм газораспределения клапанного типа, сейчас уже, в основном, с верхним расположением клапанов. Это значит, что клапаны находятся сверху, в головке блока цилиндров, как показано на рисунке 4.8.

Так, при верхнем расположении клапаны с пружинами и деталями их крепления установлены в направляющих втулках в головке блока цилиндров, в которой также отлиты впускные и выпускные каналы.

Рисунок 4.8 Головка блока цилиндров с газораспределительным механизмом.

Усилие от кулачков распределительного вала, расположенного здесь же – в головке блока, к клапанам передается с помощью толкателей и/или коромысел. Коромысла установлены шарнирно на оси, закрепленной на головке блока. Клапаны на головке закрыты крышкой.

О тепловом зазоре

Между стержнем клапана, толкателем или концом коромысла газораспределительного механизма должен быть зазор (так называемый тепловой зазор), который необходим для компенсации удлинения стержня клапана при его нагревании без нарушения плотности посадки клапана в гнезде. Другими словами, если бы не было зазора, грубо говоря, между кулачком распредвала и клапаном, то от нагрева до высокой температуры, клапан увеличился бы в длину и перестал бы плотно прилегать к седлу в головке блока цилиндров.

Величина зазора для двигателей разных марок устанавливается для впускных клапанов в холодном состоянии в пределах 0,15—0,30 мм, а для выпускных клапанов, подвергающихся большему нагреву, — в пределах 0,20—0,40 мм. Однако же, у некоторых производителей зазор может быть таков, что не попадет в указанные диапазоны.

Для регулировки величины этого зазора в механизме предусмотрены регулировочные устройства. Хотя слово «устройство» слишком громкое для регулировочного болта и стопорной гайки (Рисунок 4.9) или шайб различной толщины (Рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 Регулировка теплового зазора с помощью шайб(А – головка блока цилиндров без распределительного вала;Б – головка блока цилиндров с распределительным валом).

Сейчас очень распространена конструкция с гидравлическими компенсаторами, которые под давлением масла подводят коромысло или толкатель к кулачку распределительного вала, убирая тем самым негативное последствие теплового зазора, а именно — удар кулачка о толкатель во время работы. Но стоит упомянуть, что установка гидрокомпенсаторов удорожает конструкцию головки блока цилиндров и повышает свои требования к качеству используемого моторного масла и к частоте его замены, поскольку масляные каналы компенсатора могут забиваться продуктами износа.

ПримечаниеБолее подробно о гидрокомпенсаторах приведено ниже.

ПримечаниеПочему предварительно? Потому что для целостности восприятия данного раздела о распределительном вале необходимо сказать несколько слов, а более подробное описание данной детали будет дано ниже.

Правильность чередования различных тактов в цилиндрах двигателя достигается соответствующим расположением кулачков на распределительном валу, а также правильностью установки зацепления распределительных шестерен/шкивов с приводной шестерней/шкивом коленчатого вала.

Как двигают фазы

У разных производителей существуют различные конструкции таких систем. Одни изменяют время подъема клапанов, другие – высоту подъема, а третьи – и то, и другое. Системы изменения фаз могут устанавливаться только для впускных клапанов или и для впускных, и для выпускных. В настоящее время используется три способа изменения фаз газораспределения.

Первый способ – поворот распредвала по ходу вращения с ростом оборотов двигателя. Таким образом, обеспечивается более раннее открытие клапанов. Основная деталь таких систем – фазовращатель (другое название – гидроуправляемая муфта). Он представляет собой ротор, смонтированный в шкиве распредвала, между которыми есть полости. Эти полости по сигналу контроллера двигателя через электромагнитный клапан заполняются маслом, что приводит к повороту распредвала. Угол поворота зависит от того, какая именно полость заполнена. Фазовращатель в большинстве случаев устанавливается только на впускной распредвал, на некоторых системах – и на выпускной. Описанный способ используется в системах VANOS и Double VANOS от BMW, VVT-i и 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.
Второй способ – применение кулачков разного профиля на разных режимах работы. На малых оборотах используются кулачки, обеспечивающие «узкие» фазы, то есть малые высоту подъема и время открытия клапанов. С ростом оборотов по команде блока управления происходит переключение на «широкофазные» кулачки. Таким образом, фазы меняются ступенчато, а не плавно, как в предыдущей системе. Зато, кроме фаз, регулируется и высота подъема клапана. Разнопрофильные кулачки используют в своих системах: 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.
Третья, самая совершенная группа систем, плавно регулирует высоту подъема клапанов. Главное достоинство таких систем в том, что они позволяют отказаться от дроссельной заслонки на впуске. Тем самым существенно снижаются насосные потери и расход топлива. Впервые такая система под названием Valvetroniс была применена BMW. В ней между распредвалом и клапаном расположен дополнительный рычаг, один конец которого давит на коромысло клапана, а второй соединен с эксцентриковым валом. Проворачивая этот вал с помощью электромотора, система управления тем самым меняет наклон рычага и его плечо. Увеличение плеча приводит к увеличению подъема клапана и количества воздуха, попадающего в цилиндры. Высота подъема регулируется в пределах от 0,5 до 12 мм.

Вслед за BMW аналогичные системы создали Valvematic от Toyota, VEL (Variable Valve Event and Lift System) от Nissan, MultiAir от Fiat, VTI (Variable Valve and Timing Injection) от Peugeot.

А какое отношение все вышеописанное имеет к экологии? Системы изменения фаз газораспределения, оптимизируя процесс сгорания топлива, тем самым снижают его расход, а, значит и количество вредных выбросов.

Конструкция [ править | править код ]

Исполнительный механизм VVT-i размещен в шкиве распределительного вала – корпус привода соединен со звездочкой или зубчатым шкивом, ротор – с распредвалом.

Масло подводится с одной или другой стороны каждого из лепестков ротора, заставляя его и сам вал поворачиваться. Если двигатель заглушен, то устанавливается максимальный угол задержки (то есть угол, соответствующий наиболее позднему открытию и закрытию впускных клапанов).

Чтобы сразу после запуска, когда давление в масляной магистрали еще недостаточно для эффективного управления VVT-i, не возникало ударов в механизме, ротор соединяется с корпусом стопорным штифтом (затем штифт отжимается давлением масла).

Управление VVT-i осуществляется при помощи клапана VVT-i (OCV — Oil Control Valve). По сигналу блока управления электромагнит через плунжер перемещает основной золотник, перепуская масло в том или ином направлении. Когда двигатель заглушен, золотник перемещается пружиной таким образом, чтобы установился максимальный угол задержки.

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 управления фазами газораспределения

Плавное (бесступенчатое) регулирование