Фазы газораспределения

Устройство автомобилей

Фазы газораспределения

При рассмотрении рабочих циклов поршневых двигателей условно принималось, что открытие и закрытие клапанов происходит в момент нахождения поршня в верхней или нижней мертвой точке (ВМТ или НМТ).
В действительности, при работе реальных двигателей, клапаны открываются с опережением и закрываются с запаздыванием относительно мертвых точек, за счет чего достигается значительное улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом и эффективное удаление из них отработавших газов.

Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленчатого вала по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов, называются фазами газораспределения.

Как известно, основная функция механизма газораспределения – обеспечить максимальную эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения, зависит экономичность и мощность двигателя, а также его тяговые и динамические характеристики.

В двигателях без наддува впускной клапан открывается за 10…30˚ поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ и закрывается через 50…80˚ после прохождения поршнем НМТ. Выпускной клапан открывается за 40…70˚ до НМТ и закрывается после прохождения поршнем ВМТ через 10…50˚ поворота коленчатого вала. Чем быстроходнее двигатель, тем больше значение этих углов (шире фазы газораспределения).

Открытое состояние впускного клапана в начале такта сжатия обеспечивает продолжение наполнения цилиндра из-за инерции свежего заряда и разности давления окружающей среды и давления в цилиндре в начале сжатия. Опережение открытия впускного клапана рассчитывают так, чтобы к моменту прихода поршня в ВМТ клапан был уже открыт.

Предварение открытия выпускного клапана до прихода поршня в нижнюю мертвую точку (НМТ) обеспечивает очистку цилиндра на начальном этапе вследствие избыточного давления в цилиндре, поэтому работа поршня по выталкиванию газов при такте выпуска значительно уменьшается, что способствует повышению мощности двигателя.

Так как впускной клапан открывается в конце выпуска, а выпускной закрывается в начале впуска, то возникает период времени, когда оба клапана одновременно открыты. Этот период называется перекрытием клапанов. В двигателях с наддувом эти углы увеличивают.
Во время перекрытия клапанов, когда одновременно в цилиндр поступает свежий заряд, а через выпускной клапан удаляются отработавшие газы, происходит продувка цилиндров, которая улучшает газообмен. Очевидно, что наддув эффективен для дизельных двигателей, поскольку продувка цилиндров в них осуществляется чистым воздухом, а не рабочей смесью, как в карбюраторных двигателях.

Диаграмма фаз газораспределения показана на рис. 1.

Фазы газораспределения зависят от профиля кулачка распределительного вала и взаимного расположения кулачков. Если профили впускных и впускных кулачков одинаковы, то продолжительность открытого состояния клапанов тоже будет одинакова.

Изменяемые фазы газораспределения

В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах и при любых режимах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования для каждого конкретного режима.

Для примера рассмотрим, какие требования к газораспределению предъявляет двигатель при различных условиях нагрузки и работы.

Режим холостого хода

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

Режим низких нагрузок

При работе в режиме низких нагрузок перекрытие клапанов необходимо уменьшить для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.

Режим средних нагрузок

В этом режиме необходимо увеличить перекрытие клапанов, что позволит снизить «насосные» потери. При этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет повысить температуру рабочего цикла сжатия и уменьшить ее в процессе такта сгорания (рабочего хода), что, в свою очередь, приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах и повышению температурного КПД двигателя.

Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала

На этом режиме должно обеспечиваться раннее закрытие впускных клапанов, чтобы обеспечить увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно при движении в городском транспортном потоке.

Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала

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

Приведенный выше анализ показывает, что механизм газораспределения должен чутко подстраиваться под конкретные условия работы двигателя, чтобы обеспечить наиболее эффективное выполнение двигателем своих функций. Очевидно, что газораспределительный механизм должен уметь изменять фазы газораспределения в зависимости от режима работы двигателя.

Осознание конструкторами необходимости применения “гибких” ГРМ, способных изменять фазы газораспределения в следящем режиме в зависимости от условий работы двигателя привело к созданию различных систем и технических решений, позволивших воплотить эту идею в жизнь.

Основными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

  • улучшение качества работы двигателя на холостом ходу;
  • повышение топливной экономичности двигателя;
  • оптимизация крутящего момента в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала;
  • увеличение внутренней рециркуляции отработавших газов с сопутствующим ей снижением температуры газов при сгорании и уменьшением выброса оксидов азота;
  • увеличение мощности в области высоких частот вращения коленчатого вала.

Чтобы варьировать фазами газораспределения во время работы двигателя необходимо каким-либо образом изменять положение распределительного вала относительно коленчатого вала. При этом принцип действия привода поворота распределительного вала, для изменения фаз газораспределения, может быть любым – механическим, гидравлическим, электрическим или пневматическим.

Впервые изменение фаз газораспределения было применено на автомобилях Альфа Ромео в 1983 году. После этого такие системы стали применяться на автомобилях Мерседес, Ниссан, БМВ, Порше и др.
В 90-е годы все больше и больше двигателей стали оборудоваться системами изменения фаз газораспределения таким образом, что угол перекрытия клапанов мог изменяться в соответствии с режимами работы двигателя. В этих системах, применяемых на двигателях DOHC (с двумя распределительными валами), монтировалось специальное устройство в приводную шестерню распределительного вала впускных клапанов. Такие устройства называют изменяемыми фазами газораспределения VIVT (Variable inlet valve timing).

В связи с все более повышающимися требованиями к уменьшению выбросов токсичных веществ с отработавшими газами в настоящее время разработаны устройства, которые могут изменять фазы газораспределения во всем диапазоне возможной частоты вращения коленчатого вала двигателя, как для впускных, так и для выпускных клапанов, что позволяет регулировать количество остаточных отработавших газов в камере сгорания.
Бесступенчатое изменение фаз газораспределения позволяет, также, улучшить работу двигателя на холостом ходу и полных нагрузках, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности.

Альтернативной механическим системам явилась более дешевая конструкция системы изменения фаз газораспределения с использованием гидроуправляемой муфты – фазовозвращателя. Такая муфта способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения.
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.

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 системе VVTL-i, разработанной специалистами фирмы Тойота, после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу включается дополнительный – с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иную кинематику движения клапана и изменяет фазы газораспределения. При повышении частоты вращения коленчатого вала свыше 6500. 8000 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, способное придать автомобилю динамический рывок при ускорении.

В настоящее время системы непрерывного изменения фаз газораспределения применяются на двигателях Ауди, Фольксваген, Тойота, Рено, Вольво и др.

Еще одно техническое решение проблемы – изменение высоты подъема клапанов, позволяющее варьировать процесс газообмена при помощи различных систем управления. В таких системах высота подъема клапанов и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа, т. е. при помощи бездроссельного управления.
Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет 8. 15%, прирост мощности – в пределах 5. 15 %.

В последнее время механический привод управления скоростью и высотой подъема клапанов все чаще вытесняет электромагнитный привод, как более чуткий к сигналам управляющих устройств.
Высоту, время и скорость подъёма клапана в этом случае можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника, в соответствии с заданной программой, может периодически не открывать “ненужные” клапаны, или вовсе отключать цилиндры от газообмена. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем.

Работа инженеров и конструкторов по оптимизации и совершенствованию систем газораспределения двигателей внутреннего сгорания ведется непрерывно, чтобы полностью использовать потенциал увеличения динамических и скоростных характеристик двигателей, их экономичности и экологической безопасности.

Фазы газораспределения

Для лучшего наполнения цилиндров двигателя горючей смесью или воздухом и более полной очистки их от отработавших газов открытие и закрытие клапанов производится не в тот момент, когда поршень находится в мертвых точках, а обычно с некоторым опережением при открытии и запаздыванием при закрытии.

Моменты открытия и закрытия клапанов или впускных, выпускных и продувочных окон, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения.

Фазы газораспределения изображаются в виде круговой диаграммы, называемой диаграммой газораспределения.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Впускной клапан в большинстве случаев открывается с некоторым опережением (аф = 5° — 30°), т. е. до прихода поршня в ВМТ . Опережение открытия предусматривают для того, чтобы к началу такту впуска клапан был достаточно открыт, что улучшает наполнение цилиндра.

Закрытие впускного клапана производится с запаздыванием, т. е. после прохождения поршнем НМТ . При этом, несмотря на начавшееся движение поршня вверх, заполнение цилиндра горючей смесью или воздухом будет продолжаться вследствие все еще имеющегося в нем разряжения, а также вследствие инерции потока горючей смеси или воздуха, движущегося во впускном трубопроводе. С повышением частоты вращения коленчатого вала двигателя понижается давление в цилиндре вследствие сопротивления впускного трубопровода и клапанов и увеличивается инерционный напор потока во впускном трубопроводе и цилиндре. Поэтому с возрастанием быстроходности двигателя обычно увеличивают запаздывание закрытия впускного клапана после НМТ .

Таким образом, время открытия впускного клапана, учитывая опережение открытия и запаздывания закрытия, значительно больше 180° поворота коленчатого вала, в течение которого происходит такт впуска. Этим и достигается улучшение заполнения цилиндров горючей смесью или воздухом.

Выпускной клапан открываемся с некоторым опережением (уф = 40°—80°), т. е. до прихода поршня в НМТ . Так как давление в цилиндре значи тельно превышает атмосферное, то основная масса отработавших газов под собственным давлением уходит из цилиндра до достижения поршнем НМТ . Затем поршень, пройдя НМТ и двигаясь к ВМТ , будет выталкивать оставшиеся в цилиндре отработавшие газы.

Закрытие выпускного клапана производится с запаздыванием, т. е. когда поршень пройдет ВМТ . При этом очистка цилиндров улучшается, так как, несмотря на движение поршня к НМТ , продукты сгорания продолжают удаляться из цилиндра по инерции, а также вследствие отсасывающего воздействия потока газов, движущегося по выпускному трубопроводу.

Таким образом, для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов период открытия выпускного клапана значительно больше 180° поворота коленчатого вала, в течение которого происходит такт выпуска. Этим и достигается лучшая очистка цилиндра от отработавших газов.

Из диаграммы фаз газораспределения видно, что есть период, когда оба клапана открыты одновременно, — так называемое перекрытие клапанов. Величина угла перекрытия колеблется в пределах 16— 46°. При перекрытии клапанов утечки горючей смеси с отработавшими газами не происходит вследствие небольшого промежутка времени перекрытия и малых проходных сечений в этот период.

Перекрытие клапанов особенно благоприятно влияет на наполнение цилиндров при большой частоте вращения коленчатого вала. В момент, когда впускной клапан начинает открываться, давление в цилиндре остается выше атмосферного. Отработавшие газы с большой скоростью устремляются к незакрытому еще выпускному клапану и в силу своей инерции не пойдут в открывшуюся узкую щель впускного клапана. Когда же начнется такт впуска в цилиндре создастся нужное разрежение, выпускной клапан закроется, а впускной к этому времени будет уже настолько поднят, что проходное сечение для смеси станет значительным и наполнение цилиндра произойдет лучше.

Наивыгоднейшие фазы газораспределения для каждой модели двигателя устанавливают экспериментальным путем при доводке опытных образцов двигателей.

Под фазами газораспределения понимают моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала. Фазы газораспределения изображаются круговыми диаграммами, их подбирают экспериментальным путем в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при максимальной мощности двигателя и конструкции его впускных и выпускных газопроводов.

При рассмотрении рабочих процессов двигателей в первом приближении было принято, что открытие и закрытие клапанов происходят в мертвых точках. Однако в действительности открытие и закрытие клапанов не совпадают с положением поршней в мертвых точках. Это связано с тем, что время, приходящееся на такты впуска и выпуска, очень мало, и при максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя оно составляет тысячные доли секунды. Поэтому если открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов будут происходить точно в мертвых точках, то наполнение цилиндров горючей смесью и очистка их от продуктов сгорания будут недостаточными. В связи с этим моменты открытия и закрытия клапанов в четырехтактных двигателях происходят с определенным опережением или запаздыванием относительно положения поршней в в. м. т. и н. м. т.

Читайте также:  Устройство ТНВД КАМАЗ ЕВРО

Из общей круговой диаграммы фаз газораспределения видно, что при такте впуска впускной клапан начинает открываться с опережением, т. е. до подхода поршня в в.м.т. Угол а опережения открытия впускного клапана для двигателей различных моделей находится в пределах 10—32°. Закрывается впускной клапан с запаздыванием после прохождения поршнем н.м.т. (во время такта сжатия). Угол запаздывания закрытия впускного клапана в зависимости от модели двигателя составляет 40—85°.

Выпускной клапан начинает открываться до подхода поршня к н.м.т. Угол опережения открытия выпускного клапана для различных двигателей колеблется в пределах 40—70°. Закрывается выпускной клапан после прохождения поршнем в.м.т. (во время такта впуска). Угол запаздывания закрытия выпускного клапана равен 10—50°.

Углы опережения и запаздывания, а следовательно, и время открытия клапанов делают тем больше, чем выше частота вращения коленчатого вала, при которой развивается максимальная мощность двигателя. Правильность установки газораспределения определяется точным зацеплением зубчатых колес по имеющимся на них меткам или расположением метки на ведущей звездочке (двигатели ВАЗ ) против специального прилива на блоке цилиндров.

Общая круговая диаграмма показывает, что в определенный период времени одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Угловой интервал а+ 6 вращения коленчатого вала, при котором оба клапана открыты, называется перекрытием клапанов, которое необходимо для своевременной и качественной очистки цилиндров от продуктов сгорания.

Из диаграммы фаз газораспределения двигателя ЗИЛ -130 видно, что впускной клапан открывается за 31° до прихода поршня в в.м.т., а выпускной клапан закрывается при угле 47° поворота коленчатого вала после в.м.т., следовательно, угол перекрытия клапанов составляет 78°. Открытие выпускного клапана происходит с опережением на 67° до н.м.т., а закрытие впускного клапана — с запаздыванием на 83° после н.м.т. Таким образом, общая продолжительность открытия каждого клапана составляет 294° по углу поворота коленчатого вала двигателя.

Рассмотренные фазы газораспределения двигателя ЗИЛ -130 получены при зазоре в обоих клапанах 0,3 мм (между носком коромысла и торцом стержня клапана). При уменьшении зазора продолжительность открытия впускного и выпускного клапанов возрастает, а при увеличении зазора уменьшается.

Под фазами газораспределения понимают моменты начала открытия и конца закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек. Фазы подбирают опытным путем в зависимости от быстроходности двигателя и конструкции его впускной и выпускной систем. Для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов выпускной клапан начинает открываться до достижения поршнем н. м. т., а закрывается после в. м. т. С целью лучшего наполнения цилиндров впускной клапан начинает открываться до достижения поршнем в. м. т., а закрывается после прохождения н. м. т.

Правильность установки газораспределительного механизма определяется зацеплением распределительных шестерен в соответствии с имеющимися на них метками.

Постоянство фаз газораспределения сохраняется при соблюдении температурного зазора между стержнем клапана и носком коромысла. При увеличении зазора продолжительность открытия клапана уменьшается, а при уменьшении зазора — увеличивается.

При рассмотрении рабочих циклов двигателей условно было принято, что открытие и закрытие клапанов происходит в момент нахождения поршня соответственно в в: м. т. или в н. м. т. В действительности моменты открытия и закрытия клапанов не совпадают с положением поршней в мертвых точках. Клапаны открываются и закрываются с некоторым, иногда очень значительным, опережением или запаздыванием, что необходимо для улучшения наполнения цилиндров чистым воздухом (дизели) или горючей смесью (карбюраторные двигатели) и лучшей очистки их от отработавших газов. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала по отношению к соответствующим мертвым точкам, называют фазами газораспределения и изображают в виде круговых диаграмм.

Рассмотрим общую диаграмму фаз газораспределения четырехтактного двигателя (рис. 4, а). Впускной клапан (точка 1) открывается с опережением (угол а), т. е. до прихода поршня в в. м. т. Вследствие этого в начале движения поршня вниз впускной клапан будет уже открыт на значительную величину, и наполнение цилиндра (благодаря разрежению) воздухом или горючей смесью улучшится. Впускной клапан (точка 2) закрывается с запаздыванием (угол б), т. е. поршень проходит н. м. т., поднимается вверх, совершая такт сжатия, а клапан в это время еще открыт, и горючая смесь или воздух по инерции заполняют цилиндр.

Выпускной клапан (точка 3) открывается до прихода поршня в н. м. т., т. е. с опережением (угол у). Поршень движется вниз, а отработавшие газы уже начинают выходить из цилиндра, так как давление в нем больше атмосферного. Поэтому при движении поршня вверх, во время такта выпуска, меньше затрачивается работы на удаление отработавших газов из цилиндра двигателя. Закрытие выпускного клапана (точка 4) происходит с запаздыванием (угол Р) — после перехода поршнем в. м. т. В этом случае используется инерция продуктов сгорания и отсасывающее действие потока газов в выпускном трубопроводе.

Таким образом, открытие выпускного клапана с опережением и закрытие его с запаздыванием улучшает очистку цилиндра от отработавших газов. Анализируя диаграмму, видим, что в течение некоторого периода времени, за который коленчатый вал повертывается на угол, равный сумме углов а + Р, открыты оба клапана (впускной и выпускной). Этот период называют перекрытием клапанов.

Для правильной установки фаз газораспределения распределительные шестерни двигателя необходимо точно соединить по меткам.

Диаграммы фаз газораспределения некоторых отечественных двигателей приведены в табл. 6. Указанные фазы газораспределения являются расчетными и действительны при соответствующих зазорах между стержнем клапана и концом коромысла или между стержнем клапана и регулировочным болтом толкателя. Для двигателя автомобиля ГАЗ -63А этот зазор равен 0,35 мм, а для автомобиля ЗИЛ -130 составляет 0,30 мм.

Чтобы получить от двигателя наибольшую мощность, необходимо обеспечить более полную очистку цилиндров от продуктов сгорания и лучшее наполнение их горючей смесью. Для этого клапаны открываются и закрываются с некоторым опережением или запаздыванием. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения.

Впускной клапан открывается с опережением в конце такта выпуска, когда поршень не доходит до ВМТ у разных двигателей в пределах 12—30°, а закрывается с запаздыванием в начале такта сжатия, когда поршень отойдет от НМТ на 40—70°. Раннее открытие и позднее закрытие впускного клапана обеспечивают лучшее наполнение цилиндров горючей смесью за счет инерционного напора горючей смеси в впускном трубопроводе. Выпускной клапан открывается с опережением в конце такта рабочего хода за 42— 70° до НМТ , что позволяет отработавшим газам начать выходить из цилиндра под собственным избыточным давлением. Закрытие выпускного клапана происходит через 10—30° после ВМТ в начале такта впуска, что обеспечивает лучшую очистку цилиндра, так как отработавшие газы в это время будут продолжать выходить из цилиндра по инерции. Угол поворота коленчатого вала, на протяжении которого оба клапана в цилиндре открыты, называется перекрытием клапанов величина перекрытия в разных двигателях колеблется от 22 до 60°.

При рассмотрении рабочих процессов двигателей условно принималось, что открытие и закрытие клапанов происходит в момент нахождения поршня в в. м. т. или н. м. т. В действительности моменты открытия и закрытия клапанов не совпадают с положением поршней в мертвых точках. Клапаны открываются и закрываются с некоторым, иногда очень значительным, опережением или запаздыванием, что необходимо для улучшения наполнения цилиндров чистым воздухом (дизели) или горючей смесью (карбюраторные двигатели) и лучшей очистки их от отработавших газов.

Рис. 5. Диаграммы фаз газораспределения:
а — общая диаграмма четырехтактного двигателя; б — диаграмма двигателя ЗИЛ -130; о — диаграмма двухтактного дизеля ЯАЗ -М204; О — центр вращения коленчатого вала

Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала по отношению к соответствующим мертвым точкам, называются фазами газораспределения и изображаются в виде диаграмм.

Рассмотрим диаграммы газораспределения четырехтактного двигателя.

Впускной клапан (точка 1) открывается с опережением (угол а), т. е. до прихода поршня в в. м. т. Вследствие этого при начале движения поршня вниз впускной клапан будет уже открыт на значительную величину и наполнение цилиндра воздухом или горючей смесью улучшится.

Впускной клапан закрывается (точка 2) с запаздыванием (угол б), т. е. поршень проходит н. м. т., поднимается вверх, совершая такт сжатия, когда клапан еще открыт, и горючая смесь или воздух по инерции заполняют цилиндр.

Выпускной клапан (точка 3) открывается до прихода поршня вн. м. т., т. е. с опережением (угол у). Поршень движется вниз, а отработавшие газы уже начинают выходить из цилиндра, так как давление в нем намного больше атмосферного. Поэтому при движении поршня вверх во время такта выпуска меньше затрачивается работы на вытеснение отработавших газов из цилиндра двигателя.

Закрытие выпускного клапана (точка 4) происходит с запаздыванием (угол р) — после перехода поршнем в. м. т. В этом случае используется инерция продуктов сгорания и отсасывающее действие потока газов в выпускном трубопроводе. Таким образом, открытие выпускного клапана с опережением и закрытие его с запаздыванием улучшают очистку цилиндра от отработавших газов. Из диаграммы видно, что в течение некоторого времени, соответствующего сумме углов а + р, открыты оба клапана (впускной и выпускной). Этот период называется перекрытием клапанов.

На рис. 5, в приведена диаграмма фаз газораспределения двухтактного дизеля ЯАЗ -М204. Точка соответствует началу открытия опускающимся поршнем продувочных окон, а точка — закрытию этих окон поднимающимся поршнем. Таким образом, дуга 1—2 характеризует угол поворота коленчатого вала, соответствующий продувке цилиндров, т. е. фазу впуска. Точка соответствует моменту открытия выпускного клапана, а точка — моменту его закрытия, т. е. дуга 3—4 представляет собой фазу выпуска. Точками 5 я 6 обозначены начало и конец впрыска топлива.

Таблица 7
Фазы газораспределения некоторых автомобильных двигателей в градусах поворота коленчатого вала

Фазы газораспределения выбирают в зависимости от быстроходности двигателя.

Величина зазора между стержнем клапана и концом коромысла или между стержнем клапана и регулировочным болтом толкателя оказывает некоторое влияние на фазы газораспределения. Уменьшение указанных зазоров влечет за собой расширение фаз газораспределения, так как клапаны открываются раньше. Увеличение этих зазоров приводит к сужению фаз — клапаны открываются позже.

Для правильной установки фаз газораспределения распределительные шестерни двигателя нужно точно соединять по меткам.

В соответствии с рассмотренными выше теоретическими циклами двигателей внутреннего сгорания открытие и закрытие органов газораспределения (клапанов, окон) должно происходить, когда поршень находится в в. м. т. и н. м. т. В действительных же циклах впуск горючей смеси (воздуха) или выпуск отработавших газов происходит с некоторым опережением или запаздыванием по отношению к этим точкам. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения. Графически фазы газораспределения можно представить в виде круговой диаграммы газораспределения. Как видно из диаграммы, открытие впускных клапанов автотракторных двигателей происходит за 10—20° до в. м. т., т. е. раньше, чем закроется отверстие выпускного клапана. Это необходимо для того, чтобы избежать излишнего разрежения в цилиндре и возрастания насосных потерь двигателя. Кроме того, опережение открытия впускного клапана при запаздывании закрытия выпускного клапана улучшает продувку камеры сгорания и очистку ее от остаточных газов с использованием инерционного напора горючей смеси, что особенно важно для быстроходных двигателей. Угол поворота коленчатого вала, при котором одновременно открыты впускной и выпускной клапаны, называется углом перекрытия клапанов. Обычно угол перекрытия равен 20—40°.

Запаздывание закрытия впускного клапана (на 50—70° после н.м.т.) позволяет улучшить наполнение цилиндра. Если оставить впускной клапан открытым после н.м.т., то в цилиндр будет продолжать поступать воздух (смесь) до тех пор, пока не будет использована полностью инерция потока воздуха (смеси), движущегося во впускном трубопроводе. Преждевременное открытие выпускного клапана (за 40—60° Закрытие поворота коленчатого вала до Впускного н.м.т.) позволяет выпускать от- ктпана работавшие газы под собственным давлением (0,35—0,4 МПа), что уменьшает сопротивление

движению поршня в период выпуска. Запаздывание закрытия выпускного клапана (10—20° поворота коленчатого вала после в.м.т.) обеспечивает достаточные проходные сечения для выпуска газов, а также улучшает очистку камеры сгорания от отработавших газов. Фазы газораспределения для каждого двигателя подбирают опытным путем. Величины опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов у высокооборотных двигателей больше, чем у тихоходных.

Что такое фазы газораспределения и как они работают

Отрезки времени от начала момента открытия клапанов двигателя до их полного закрытия относительно мертвых точек движения поршня получили наименование фазы газораспределения. Их влияние на работу двигателя очень велико. Так, от продолжительности фаз зависит эффективность заполнения и очистки цилиндров в процессе работы мотора. Это напрямую определяет экономичность расхода топлива, мощность и крутящий момент.

Читайте также:  Устройство панели приборов Мазда 323

Сущность и роль фаз газораспределения

На данный момент существуют двигатели, в которых фазы не могут изменяться принудительно, и двигатели, оснащенные механизмами изменения фаз газораспределения (например, CVVT). Для первого типа двигателей фазы подбираются эксперементально при конструировании и расчете силового агрегата.

Нерегулируемые и регулируемые фазы газораспределения

Визуально все они отображаются на специальных диаграммах фаз газораспределения. Верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ соответственно) представляют собой крайние позиции поршня, движущегося в цилиндре, которые соответствуют наибольшему и наименьшему расстоянию между произвольной точкой поршня и осью вращения коленвала мотора. Точки начала открытия и закрытия клапанов (длина фазы) показываются в градусах и рассматриваются относительно вращения коленчатого вала.

Управление фазами осуществляется при помощи газораспределительного механизма (ГРМ), который состоит из следующих элементов:

  • кулачковый распредвал (один или два);
  • клапанный механизм;
  • цепной или ременной привод от коленвала к распредвалу.

Газораспределительный механизм

Рабочий цикл двигателя всегда состоит из тактов, каждому из которых соответствует определенное положение клапанов на впуске и выпуске. Таким образом, начало и конец фазы зависят от угла положения коленвала, который связан с распределительным валом, управляющим положением клапанов.

За один оборот распредвала коленчатый вал выполняет два оборота и его суммарный угол поворота за рабочий цикл равен 720°.

Работу фаз газораспределения для четырехтактного двигателя рассмотрим на следующем примере (см. картинку):

  1. Впуск. На этом этапе поршень движется от ВМТ к НМТ, а коленвал поворачивается на 180º. Осуществляется закрытие выпускного клапана и последующее открытие впускного. Последние происходит с опережением на 12º.
  2. Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, а коленвал совершает еще один поворот на 180º (360º от начального положения). Выпускной клапан остается в закрытом положении, а впускной остается открытым, пока коленвал не повернется на 40º.
  3. Рабочий ход. Поршень идет от ВМТ к НМТ под действием силы воспламенения топливовоздушной смеси. Впускной клапан находится в закрытом положении, а выпускной открывается с опережением, когда коленвал еще не дошел 42º до НМТ. На этом такте полный поворот коленвала составляет также 180º (540º от начального положения).
  4. Выпуск. Поршень идет от НМТ к ВМТ и при этом выталкивает отработавшие газы. В этот момент впускной клапан закрыт (откроется за 12º до ВМТ), а выпускной остается в открытом положении и после достижения коленвалом ВМТ еще на 10º. Общая величина поворота коленвала на этом такте также 180º (720º от начальной точки).

Фазы грм также зависят от профиля и позиции кулачков распредвала. Так, если они одинаковы на впуске и выпуске, то длительность открытия клапанов также будет одинакова.

Почему выполняется запаздывание и опережение срабатывания клапанов?

Чтобы улучшить наполнение цилиндров, а также обеспечить более интенсивную очистку от отработавших газов, срабатывание клапанов происходит не в момент достижения поршня мертвых точек, а с небольшим опережением или запаздыванием. Так, открытие впускного клапана выполняется до момента прохождения поршнем ВМТ (от 5° до 30°). Это позволяет обеспечить более интенсивное нагнетание свежего заряда в камеру сгорания. В свою очередь, закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием (после того как поршень достиг нижней мертвой точки), что позволяет продолжить наполнение цилиндра горючим за счет сил инерции, так называемый инерционный наддув.

Выпускной клапан также открывается с опережением (от 40° до 80°) до момента достижения поршнем НМТ, что позволяет обеспечить выход большей части отработавших газов под действием собственного давления. Закрытие выпускного клапана, напротив, происходит с запаздыванием (после прохождения поршнем верхней мертвой точки), что позволяет силам инерции продолжить удаление отработавших газов из полости цилиндра и делает более эффективной его очистку.

Углы опережения и запаздывания не являются общими для всех двигателей. Более мощные и быстроходные имеют большие значения этих интервалов. Таким образом, их фазы газораспределения будут шире.

Этап работы двигателя, при котором оба клапана открыты одновременно, получил название перекрытие клапанов. Как правило, величина перекрытия составляет около 10°. При этом, поскольку длительность перекрытия очень мала, а раскрытие клапанов незначительно, утечки не происходит. Это довольно благоприятный этап для наполнения и очистки цилиндров, что особенно важно при высоких оборотах.

В начале открытия впускного клапана текущий уровень давления в камере сгорания выше, чем атмосферное. В результате отработавшие газы очень быстро перемещаются к выпускному клапану. Когда двигатель перейдет на такт впуска, в камере установится высокое разрежение, выпускной клапан полностью закроется, а впускной раскроется на достаточную для интенсивного наполнения цилиндра величину сечения.

Особенности регулируемых фаз газораспределения

При высоких скоростях двигателю автомобиля необходимо больше объема воздуха. И поскольку в нерегулируемых ГРМ клапаны могут закрыться до того, как в камеру сгорания поступает его достаточное количество, работа мотора оказывается неэффективной. Для решения этой проблемы были разработаны различные способы регулировки фаз газораспределения.

Клапан регулировки фаз газораспределения

Первые моторы, имеющие подобную функцию, позволяли выполнять ступенчатую регулировку, которая позволяла менять длину фазы в зависимости от достижения двигателем определенных величин. Со временем появились бесступенчатые конструкции, позволяющие выполнить более плавную и оптимальную настройку.

Простейшим решением является система сдвига фаз (CVVT), реализуемая путем поворота распределительного вала относительно коленвала на определенный угол. Это позволяет изменить момент открытия и закрытия клапанов, но фактическая продолжительность фазы остается неизменной.

Чтобы изменить непосредственно длительность фазы, в ряде автомобилей используются несколько кулачковых механизмов, а также колеблющиеся кулачки. Для точной работы регуляторов применяются комплексы из датчиков, контроллера и исполнительных механизмов. Управление такими устройствами может быть электрическим или гидравлическим.

Одной из основных причин внедрения систем с регулировкой ГРМ является ужесточение экологических стандартов по уровню токсичности отработавших газов. Это означает, что для большинства производителей вопрос оптимизации фаз газораспределения остается одним из важнейших.

Ritel › Блог › ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ. ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

Работа двигателя зависит от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Объясним, что такое фазы газораспределения и их влияние на работу двигателя.

ЧТО ТАКОЕ ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ?

Фаза газораспределения — это период от момента открытия клапанов до момента их закрытия, выраженные в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов.

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

ВЛИЯНИЕ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ

В большинстве двигателей фазы меняться не могут и работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

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

При работе на максимальной мощности ситуация меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить эту задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими.

При разработке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же 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.

ИЗМЕНЯЕМЫЕ ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя?

Один из способов это применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. 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.
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.

А если попробовать изменять высоту подъёма? Такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет от 8% до 15%, прирост мощности в пределах 5—15 %.
Несмотря на то, что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать выше — за счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод заменяется электромагнитным.

В чём плюс электромагнитного привода? Подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем. Даже во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный.

Дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ — невозможно. Выжать больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия.

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.

Характеристика

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

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.

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.

Читайте также:  Устройство современного 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.

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).

Какие бываю системы

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.

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.

Зачем менять фазы газораспределения

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

Качество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.
В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.

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

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 (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 ° (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 «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 после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

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 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).

Аналогичная система от немецкой компании Mahle.

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 мм.

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

Так работает «трёхступенчатый» (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 , благодаря новому газораспределительному механизму, удалось поднять со 152 до 158 сил, а момент — с 194 до 196 Нм.

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 , 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.

Ссылка на основную публикацию