Принцип работы регулятора фаз газораспределения. Зачем менять фазы газораспределения

Газораспределительный механизм (ГРМ) служит для обеспечения своевременной подачи в цилиндры двигателя воздуха или горючей смеси (в зависимости от типа двигателя) и выпуска отработавших газов из цилиндров. Разберемся, зачем же необходимо менять фазы ГРМ.

Для всех режимов работы двигателя есть свои оптимальные значения по продолжительности открытия и закрытия клапанов. Благодаря автоматическому управлению механизмом газораспределения можно увеличить мощность и крутящий момент практически на всех режимах работы двигателя и уменьшить токсичность отработавших газов без применения других конструктивных решений.

Таким образом, система изменения фаз газораспределения служит для их оптимизации при работе двигателя на режимах холостого хода, максимальной мощности и максимального крутящего момента и для обеспечения рециркуляции отработавших газов.

На современных автомобилях применяется система автоматического изменения фаз ГРМ, а также система отключения цилиндров для сокращения расхода топлива и снижения токсичности в режиме неполной нагрузки на двигатель. Рассмотрим основные типы таких систем.

Способы изменения фаз газораспределения можно классифицировать по регулируемым параметрам работы ГРМ:

• поворот распределительного вала;
• применение кулачков с разным профилем;
• изменение высоты подъема клапанов.

Наиболее распространена система, изменяющая фазы посредством поворота распредвала, которая применяется на автомобилях следующих марок:

• BMW: VANOS (Double VANOS);
• Toyota: VVT-i (Dual VVT-i), Variable Valve Timing with intelligence;
• Volkswagen: VVT, Variable Valve Timing;
• Honda: VTC, Variable Timing Control;
• Hyundai, KIA, Volvo, General Motors: CVVT, Continuous Variable Valve Timing;
• Renault: VCP, Variable Cam Phases.

На примере автомобилей VAG (Volkswagen Audi Group) можно рассмотреть распространенную систему изменения фаз ГРМ VVT с гидроуправляемыми муфтами, расположенными по одной на каждом распределительном валу двигателя.

Муфты представляют собой гидравлические устройства, подключенные к системе смазки двигателя. Управление осуществляется блоком управления двигателя на основании данных о частоте вращения коленчатого вала, нагрузке, температуре и других параметров. Масло из системы смазки двигателя поступает через каналы в корпусе механизма газораспределения и в распределительных валах в гидроуправляемые муфты, которые поворачивают распредвалы в соответствии с командами блока управления.

Существуют и системы изменения фаз ГРМ, работа которых основана на применении кулачков различной формы, благодаря которым достигается ступенчатое изменение продолжительности открытия и высоты подъема клапанов. Такие системы используются на следующих автомобилях:

• Honda: VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control;
• Toyota: VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence;
• Mitsubishi: MIVEC, Mitsubishi Innovative Valve Timing Electronic Control;
• Audi: Valvelift System.

Данные системы имеют в основном схожие конструкцию и принцип действия, которые можно рассмотреть на примере VTEC.

Распределительный вал имеет два малых и один большой кулачок на каждые два клапана. В режиме работы двигателя с небольшой частотой вращения коленчатого вала малые кулачки через двигателя с небольшой частотой вращения коленчатого вала малые кулачки через соответствующие рокеры воздействуют на пару впускных клапанов. Большой кулачок перемещает свободное коромысло вхолостую. Клапаны имеют минимальную высоту подъема, фазы ГРМ характеризуются малой продолжительностью.

Система управления с блокирующим механизмом, имеющим гидравлический привод, обеспечивает ступенчатое переключение с одного режима работы на другой при достижении коленвалом двигателя определенной частоты вращения. Рокеры малых и большого кулачков соединяются с помощью стопорного штифта в единое целое, и после этого усилие на впускные клапаны передается от большого кулачка распредвала. Таким образом, увеличивается ход клапанов и фазы газораспределения.

Недостатками такой системы являются ступенчатый переход с одного режима на другой и конструктивная сложность реализации процесса блокировки.

Наиболее совершенная конструкция системы изменения фаз ГРМ на данный момент основана на регулировании высоты подъема клапанов. Первопроходец в этом направлении - компания BMW, предложившая разработку Valvetronic. Аналогичный принцип реализован и в других системах:

• Toyota: Valvematic;
• Nissan: VEL, Variable Valve Event and Lift System;
• FIAT: MultiAir;
• Peugeot: VTI, Variable Valve and Timing Injection.

Система Valvetronic устанавливается только на впускные клапаны. Изменение хода клапана осуществляется с помощью сложной кинематической схемы. Эксцентриковый вал 9 приводится в движение от электродвигателя 1 через червячную передачу 2. Вращение эксцентрикового вала 9 изменяет положение промежуточного рычага 10, который, в свою очередь, задает определенное движение коромысла 11 и соответствующее ему перемещение клапана 16. Изменение высоты подъема клапана осуществляется непрерывно в зависимости от режимов работы двигателя. Такая система позволяет отказаться от использования дроссельной заслонки на некоторых режимах работы двигателя.

Система изменения фаз ГРМ надежна и обычно не доставляет хлопот владельцам автомобилей. Но предъявляются жесткие требования к качеству и сроку эксплуатации моторного масла, так как управление приводом гидравлическое. Не допускается никаких примесей, инородных частиц, строго должны быть соблюдены требования по вязкости и регламенту замены масла.

Поговорим о некоторых известных неисправностях системы изменения фаз ГРМ. Например, на автомобиле Renault Megane III (выпуск после 2008 года, двигатель K4M/F4R 830 объемом 1,6 литра) часто можно услышать стук со стороны верхней части двигателя после холодного пуска. Самая распространенная причина этого недуга кроется в приводе системы фаз ГРМ, а именно в муфте распределительного вала впускных клапанов. Для устранения неисправности требуется замена привода системы изменения фаз и обязательное обновление программного обеспечения для электронного блока управления двигателем.

На автомобиле Mazda CX-7 (выпуск после 2007 года с двигателем L3 Turbo объемом 2,3 литра) встречается аналогичная неисправность: чрезмерный шум от привода системы изменения фаз ГРМ, особенно при пуске холодного двигателя. Основная причина - неполное включение стопорного штифта привода системы изменения фаз газораспределения. Порядок устранения поломки следующий:

1. Установить модифицированный привод системы изменения фаз газораспределения.
2. Заменить моторное масло.
3. Запустить двигатель, дать ему поработать на холостом ходу минимум 5 минут.
4. Проверить топливный насос высокого давления на наличие утечек.
5. Выключить зажигание.
6. Дождаться снижения температуры охлаждающей жидкости.
7. Заменить моторное масло и масляный фильтр.

У автомобиля KIA Rio (2005-2011 гг. выпуска, двигатель G4ED объемом 1,6 литра) иногда встречаются неприятные проблемы: неустойчивый холостой ход, ухудшение эксплуатационных характеристик двигателя. Причина аналогична: неисправность привода системы изменения фаз ГРМ, а именно муфты распределительного вала выпускных клапанов. Способ устранения следующий:

1. Проверить работу привода системы фаз ГРМ.
2. Проверить сопротивление привода системы фаз газораспределения. Номинальное сопротивление: 6,7-7,9 Ом.
3. Заменить при необходимости.

Общепринятое название системы изменения фаз газораспределения — Variable Valve Timing.

Зачем она нужна

С ее помощью регулируют параметры работы для различных режимов работы двигателя. Это повышает крутящий момент и мощность двигателя, экономит топливо и снижает вредные выбросы.

Необходимо регулировать следующие параметры газораспределительного механизма:

• момент открытия и закрытия клапанов;
• продолжительность их открытия:
• высоту подъема клапанов.

Совокупность этих параметров составляет фазы газораспределения, выраженные в продолжительности тактов впуска и выпуска, которая характеризуется углом поворота коленвала относительно «мертвой» точки. На фазу газораспределения влияет форма кулачка распределительного вала, который воздействует на клапан.

Величину фаз необходимо регулировать для разных режимов работы двигателя. При низких оборотах они должны быть минимальными («узкие» фазы). Наоборот, при высоких оборотах двигателя фазы газораспределения — максимально широкие, но при этом они должны полностью перекрывать такты впуска и выпуска (естественная рециркуляция отработавших газов).

Но кулачок распредвала имеет форму, которая одновременно не может обеспечивать максимальные параметры узких и широких фаз газораспределения. Поэтому на практике сделана форма кулачка, обеспечивающая компромисс между большой мощностью на высоких оборотах и большим на малых оборотах коленчатого вала. Именно для оптимального разрешения этого противоречия и создана система изменения фаз газораспределения.

Различают несколько способов изменяемых фаз, которые зависят от регулируемых параметров газораспределительного механизма. Они характеризуются:

• поворотом распределительного вала;
• применением кулачков с разными профилями:
• изменением высоты подъема клапанов.

Среди систем изменения фаз газораспределения наибольшее распространение получили системы, в которых используется поворот распределительного вала. Наиболее известны следующие:

1. VANOS (Double VANOS) фирмы BMW;
2. VTC, Variable Timing Control от Honda;
3. VVT-i (Dual VVT-i), Variable Valve Timing with intelligence компании Toyota;
4. CVVT, Continuous Variable Valve Timing, установленных на автомобилях General Motors; Volvo, Hyundai и Kia;
5. VVT, Variable Valve Timing фирмы Volkswagen;
6. VCP, Variable Cam Phases, применяемых на автомобилях Renault.

Все эти системы работают по принципу, основанному на повороте распредвала по ходу вращения. Этим достигается открытие клапанов раньше их исходного положения.

Газораспределительные системы данного типа имеют общую систему управления и гидроуправляемую муфту (фазовращатель).

Система автоматического изменения фаз газораспределения:
1 — датчик Холла впускного распределительного вала; 2 — гидроуправляемая муфта впускного вала (фазовращатель); 3 — впускной распределительный вал; 4 — датчик Холла выпускного распределительного вала; 5 — гидроуправляемая муфта выпускного вала (фазовращатель); 6 — выпускной распределительный вал; 7 — электрогидравлический распределитель впускного вала (электромагнитный клапан); 8 — электрогидравлический распределитель выпускного вала (электромагнитный клапан); 9 — блок управления двигателем; 10 — сигнал от датчика температуры охлаждающей жидкости; 11 — сигнал расходомера воздуха; 12 — сигнал датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя; 13 — масляный насос.

Гидроуправляемая муфта

Эта муфта используется для поворота распределительного вала и состоит из ротора и корпуса, которым является шкив привода распредвала. Полости между корпусом и ротором заполнены моторным маслом, которое обеспечивает свободное вращение ротора относительно корпуса и, соответственно, поворот распределительного вала на необходимый угол.

Почти во всех видах газораспределительных систем гидроуправляемую муфту устанавливают на распределительном вале впускных клапанов. Чтобы расширить параметры регулирования, на некоторых конструкциях муфты устанавливают на впускном и выпускном распределительных валах.

Система управления

Для автоматического регулирования работы гидроуправляемой муфты используются система управления. Она состоят из электронного блока управления, входных датчиков и исполнительного устройства. Для работы системы управления применяют датчики Холла, которые оценивают положение распределительных валов. Также используются другие датчики, которые измеряют:

• частоту вращения коленчатого вала;
• расход воздуха;
• температуру .

Датчики передают сигналы на блок управления, который управляет исполнительным устройством – электрогидравлическим распределителем в виде электромагнитного клапана. Его задача – обеспечить подвод моторного масла к гидроуправляемой муфте и отводить его от муфты в соответствии с режимом работы двигателя.

Применяются следующие режимы работы системы изменения фаз газораспределения:

• холостой ход (при минимальных оборотах коленчатого вала);
• максимальная мощность;
• максимальный крутящий момент.

В другой разновидности систем изменения фаз газораспределения применяются кулачки различной формы. За счет этого продолжительность открытия и высота подъема клапанов изменяются ступенчато. Отмечают следующие известные системы этого типа:

1. VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence компании Toyota;
2. VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control фирмы Honda;
3. Valvelift System от Audi;
4. MIVEC, Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control компании Mitsubishi.

Исключая Valvelift System, эти системы, в основном, схожи по конструкции и принципу действия.

Принцип работы рассмотрим на примере системы VTEC

Принцип работы системы VTEC:
А — режим низких оборотов двигателя; Б — переход с одного режима на другой; В — режим высоких оборотов двигателя.
1 — блокирующий механизм (стопорный штифт); 2 — малые кулачки (кулачки низких оборотов); 3 — впускной клапан; 4 — коромысло (рокер) первого впускного клапана; 5 — промежуточное коромысло; 6 — коромысло второго впускного клапана; 7 — большой кулачок (кулачок высоких оборотов).

На ее распределительном валу находятся один большой и два малых кулачка, которые соединяются с двумя впускными клапанами через коромысла (рокеры), а большой кулачок перемещает свободное коромысло.

При помощи блокирующего механизма, имеющего гидравлический привод, система управления обеспечивает переключение режимов. Впускные клапана при малых оборотах двигателя работают от малых кулачков. В этом режиме фазы газораспределения имеют малую продолжительность. При увеличении оборотов срабатывает блокирующий механизм. Стопорный штифт соединяет коромысла большого и малых кулачков в одно целое, и на впускные клапана усилие начинает передаваться от большого кулачка.

В другой модификации системы VTEC работают три режима регулирования. При малых оборотах двигателя работает один малый кулачок, при средних оборотах – два (открытие 2-х впускных клапанов), при высоких оборотах работает большой кулачок.

Современные системы способны поворачивать распределительные валы впускных и выпускных клапанов на разный угол. У Honda это I-VTEC, у Toyota — VVTL-i (приставка «i» от слова intelligent – «умный»). Этот вариант значительно расширяет параметры регулирования двигателя.

Система Valvetronic

Конструктивно наиболее совершенной разновидностью систем изменения фаз газораспределения считается система, в которой регулируется высота подъема клапанов. Она позволяет почти на всех режимах работы двигателя отказаться от .

Пионером в этом направлении стала компания BMW со своей системой Valvetronic.

Система Valvetronic:
1 — сервопривод (электродвигатель); 2 — червячный вал; 3 — возвратная пружина; 4 — кулисный блок; 5 — впускной распределительный вал; 6 — наклонная часть промежуточного рычага; 7 — гидрокомпенсатор впускного клапана; 8 — червячное колесо; 9 — эксцентриковый вал; 10 — промежуточный рычаг; 11 — коромысло впускного клапана; 12 — выпускной распределительный вал; 13 — гидрокомпенсатор выпускного клапана; 14 — коромысло выпускного клапана; 15 — выпускной клапан; 16 — впускной клапан.

В ней высота подъема клапанов изменяется за счет схемы, в которой к связке (кулачок – коромысло – клапан) добавлены эксцентриковый вал и промежуточный рычаг. Она устанавливается только на впускные клапана.

В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования.

Чтобы варьировать фазами газораспределения необходимо изменять положение распределительного вала относительно коленчатого.

Холостой ход. 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. Перекрытие клапанов уменьшается для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.

Режим средних нагрузок. Перекрытие клапанов увеличивается, что позволяет снизить «насосные» потери, при этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет снизить температуру рабочего цикла и вследствие этого содержание оксидов азота в отработавших газах.

Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала. На этом режиме обеспечивается раннее закрытие впускных клапанов, что обеспечивает увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель бо­лее четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно в транспортном потоке.

Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала. Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо 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.

Главными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

• улучшение качества работы двигателя на холостом ходу
• снижение расхода топлива
• 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

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).

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. Принцип действия привода поворота распределительного вала, для изменения фаз газораспределения, может быть механический, гидравлический, электрический и пневматический.

Как правило, изменение фаз газораспределения применяется в двигателях с двумя распределительными валами, один из которых служит для открытия впускных клапанов, другой – выпускных. Широкое распространение находят системы с изменение натяжения цепи по принципу гидравлического кольца. Изменение фаз газораспределения при таком виде производится только для впускных клапанов. Распределительный вал для открытия выпускных клапанов приводится во вращение от коленчатого вала двигателя через шестерню или звездочку ременной или цепной передачи 1, а распределительный вал для открытия впускных клапанов через цепную передачу от звездочки установленной на распределительном вале привода выпускных клапанов 2.

Рис. Привод системы с изменение натяжения цепи по принципу гидравлического кольца:
1 – привод распределительного вала для выпускных клапанов; 2 – звездочка распределительного вала для привода выпускных клапанов; 3 – звездочка распределительного вала для привода впускных клапанов

В систему изменения фаз газораспределения масло поступает через отверстие в головке блока. Изменение потоков масла осуществляется управляющим клапаном 1, передвигающим золотник 2, по сигналам блока управления двигателем.

Рис. Устройство для изменения фаз газораспределения по натяжению цепи:
1 – управляющий клапан; 2 – золотник; 3 – звездочка привода впускных клапанов; 4,9 – натяжитель цепи; 5 – толкатель натяжителя цепи; 6 – полость для масла; 7 – звездочка привода выпускных клапанов; 8 – фиксатор стартовый; 10 – управляющий поршень

Для изменения фаз газораспределения впускных клапанов служит гидравлический цилиндр с поршнем 10. При подаче масла в цилиндр по сигналу блока управления поршень, выдвигаясь, воздействует на натяжитель цепи. Одна сторона цепи начинает удлиняться, а противоположная укорачиваться, при этом происходит поворот звездочки для привода впускных клапанов, не связанной цепной передачей с коленчатым валом. Управление подачей масла осуществляется с помощью клапана 1, управляемого электронным блоком управления. Указанная система имеет дискретный двухпозиционный диапазон изменения фаз газораспределения, так как давление масла, развиваемое штатным масляным насосом, изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, и может служить только для движения поршня в верхнее или нижнее положение. Такой принцип изменения фаз газораспределения имеют серийные двигатели фирм Ауди, Порше и Фольксваген.

В зависимости от сигнала блока управления масло направляется в каналы А или В. При неработающем двигателе изменения натяжения цепи не происходит, ввиду отсутствия давления масла на управляющий поршень 6. Стартовый фиксатор 4 при этом входит в паз канавки управляющего поршня и стопорит его, исключая колебания цепи. Распределительный вал в данном случае устанавливается на более позднее открытие клапанов, соответствующее увеличению мощности двигателя.

Рис. Схема подачи масла в устройство изменения фаз газораспределения:
а – позднее открытие клапанов; б – раннее открытие клапанов; 1 – возврат масла; 2 – подвод масла; 3 – продувочное и масляное отверстие; 4 – фиксатор стартовый; 5 – полость для масла; 6 – управляющий поршень; 7 – управляющие каналы

После запуска двигателя, когда давление масла начинает возрастать, оно воздействует на плоскость стартового фиксатора, преодолевая натяжение его пружины. Стартовый фиксатор освобождает управляющий поршень и он, передвигаясь, натягивает цепь, устанавливая фазы газораспределения в положение раньше или позже, соответствующее увеличению крутящего момента или мощности двигателя. При открытом управляющем канале А, масло воздействует на поршень сверху и он натягивает цепь вниз, устанавливая открытие клапанов в положение соответствующее большей мощности (позднее открытие клапанов).

При достижении частоты вращения коленчатого вала 1300 об/мин открывается канал В и масло воздействует на поршень снизу и он натягивает цепь вверх, устанавливая открытие клапанов в положение соответствующее большему крутящему моменту (раннее открытие клапанов).

Полость для масла служит для наполнения без давления плунжера натяжного устройства цепи нагнетательной полости при запуске двигателя. Это сказывается также положительно на шумовых свойствах при запуске двигателя. Отверстие 3 сверху полости для масла служит для вентиляции и смазки цепи.

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. Для увеличения давления на поршень может применяться отдельный масляный насос. Применения высокого давления позволяет устанавливать более точное положение распределительного вала в зависимости от нагрузки двигателя.

Необходимый угол изменения фаз газораспределения выбирается в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала по полю параметрических характеристик. Отклонение необходимого угла поворота распределительного вала от истинного угла рассчитывается по алгоритму блока управления, согласно выданному значению которого, изменяется ток в клапане управления давлением масла. Клапан управления в свою очередь изменяет давление масла на исполнительный механизм, позволяющий поворачивать распределительный вал. Частота вращения коленчатого вала определяется индуктивными датчиками, установленными на коленчатом или распределительном валах, считывающими частоту вращения по зубчатым колесам, установленным на валах.

Распределительный вал привода впускных клапанов может поворачиваться и с помощью поршня.

Рис. Схема устройства изменения фаз газораспределения:
1 – головка блока; 2 – распределительный вал; 3 – звездочка привода распределительного вала; 4 – поршень; 5 – электромагнит; 6 – якорь-клапан; 7 – косозубые шлицы; а – поздние фазы; б – ранние фазы; в – соединение деталей устройства косозубыми шлицами

Устройство устанавливается на переднем конце распределительного вала, управляющего впускными клапанами.

При низких частотах вращения коленчатого вала обеспечивается позднее открытие впускных клапанов и минимальное перекрытие клапанов, что позволяет добиться минимально воз­можного обратного выброса отработавших газов во впускной канал, увели­чения крутящего момента и снижения расхода топлива. В этом положении якоря-клапана его вертикальный канал соединен с пространством с правой стороны поршня, так как электромагнит 5 устройства выключен. Поршень 4 отжат влево под воздействием пружины и давления масла, поступающего через якорь-клапан 6.

На высоких частотах по команде электронного блока управления двигате­лем включается электромагнит 5, сердечник кото­рого соединяет вертикальный канал с пространством с левой стороны поршня. Масло из центрального отверстия распределительного вала поступает под поршень 4, имеющий внутренние и наружные косые шлицы. Ответные шлицы име­ет конец вала и ступица звездочки цепи 3. Двигаясь в направ­лении «назад», поршень за счет шлицев обеспечивает сдвиг звездочки в окружном направлении относительно вала на 12…15° в сторону более раннего впуска. Это позволяет увели­чить крутящий момент двигателя на высоких частотах враще­ния. Подобные механизмы устанавлива­ются на (MERCEDES-BENZ, ALFA ROMEO и др.) с двумя верхними распределительными валами.

В конструкции двигателей БМВ применены принципы работы обоих вышеописанных способов изменения фаз газораспределения.

Рис. Бесступенчатое изменение фаз газораспределения фирмы БМВ:
1 – управляющий поршень; 2 – косозубая шестерня; 3 – прямозубая шестерня; 4 – натяжитель цепи

Косозубая шестерня 2 может перемещаться в продольном направлении при воздействии масла на управляющий поршень. Перемещаясь, она сдвигает в окружном направлении звездочку привода распределительного вала. Применение такой конструкции позволяет изменять фазы газораспределения не только для впускных (до 60°), но и для выпускных клапанов (до 46°).

Альтернативной вышеизложенным системам является более дешевая конструкция системы изменения фаз газораспределения, действующая с использованием гидроуправляемой муфтой.

Рис. Схема системы непрерывного изменения фаз газораспределения с гидроуправляемой муфтой:
1 – масляный насос; 2 –электронный блок управления двигателем; 3 – датчик Холла для распределительного вала привода выпускных клапанов; 4 – датчик Холла для распределительного вала привода впускных клапанов; 5 – распределительный вал для впускных клапанов; 6 – распределительный вал для выпускных клапанов; 7 – электрогидравлический распределитель распределительного вала для впускных клапанов; 8 – электрогидравлический распределитель распределительного вала для выпускных клапанов; 9 – рабочие полости; 10 – ротор; 11 – гидроуправляемая муфта; а – общая схема; б – поворот ротора относительно корпуса вправо; в – поворот ротора относительно корпуса влево

Рис. Общий вид системы непрерывного изменения фаз газораспределения с использованием лопастного гидравлического двигателя:

Привод состоит из двух частей – внутренней с закручивающимся ротором 10, связанной с распределительным валом и внешней 11, приводимой цепью или ременной передачей от коленчатого вала. Связь между обеими частями осуществляется с помощью масляной полости, в которой выступы ротора или лопасти поворачивают ротор влево или вправо. Одновременно с ротором поворачивается распределительный вал, на который навинчен ротор.

Давление масла в рабочей камере зависит от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и температуры двигателя. Положение распределительного вала относительно коленчатого вала во время работы двигателя может быть как переменным, так и постоянным (фиксированным). Питание рабочей полости осуществляется от системы смазки двигателя.

Жесткая связь между приводной звездочкой и ротором, связанным с распределительным валом, существует только во время запуска двигателя. Некоторые производители, например Ауди, при запуске двигателя блокируют ротор при запуске двигателя специальным плунжером, управляемым гидравлической системой, что позволяет установить распределительный вал привода впускных клапанов в положении наиболее благоприятного впуска топливовоздушной смеси. При наполнении масляной полости маслом, внутренняя и внешняя части привода разъединяются. При самом большом давлении масла распределительные валы поворачиваются в положение соответствующее наиболее позднему впуску горючей смеси и наиболее раннему выпуску отработавших газов.

Управляющий электрогидравлический распределитель 8 состоит из гидравлической части и электромагнита. Клапан установлен на корпусе распределительных валов и подключен к системе смазки двигателя. В цилиндре распределителя установлен золотник, перемещение которого приводит к изменению потоков масла. Управление положением золотника управляющего распределителя происходит по сигналу электронного блока управления 2. В зависимости от положения распределителя масло подается к гидроуправляемой муфте через один или через оба канала. Подключением того или иного канала производится перестановка ротора в положение «рано» или «поздно» или же он удерживается в определенном фиксированном положении.

Исходное положение золотника определяется натяжением возвратной пружины.

Диапазон перестановки распределительного вала составляет 40° по углу поворота коленчатого вала или 20° по углу поворота распределительных валов.

Подробности

Что такое фазы газораспределения в двигателе внутреннего сгорания? Именно с этого ответа на вопрос мы начнем с вами статью.

Фазами газораспределения принято считать момент с начала открытия и до конца закрытия впускного или выпускного клапана, относительно положения поршня (верхняя или нижняя мертвая точка), выраженного в градусах угла поворота коленчатого вала.

В большинстве двигателей внутреннего сгорания установленных на автомобилях, фазы газораспределения одинаковы на всех режимах работы двигателя, то есть они остаются неизменными, будь это холостой ход или режим полной нагрузки на высокой частоте вращения коленчатого вала. В результате все это сказывается на малой эффективности работы двигателя и снижению его КПД, так как на разных режимах работы требуется разная величина фаз газораспределения. Например, для низких оборотов требуются короткие фазы, имеющие минимальную продолжительность, для высоких оборотов наоборот, необходимы широкие фазы, которые будут перекрывать такт впуска и выпуска.

Мы знаем, что работой впускных и выпускных клапанов управляет распределительный вал, точнее его кулачки. Так вот, чтобы на двигателях с постоянными фазами газораспределения, добиться оптимальной работы, как на низких, так и на высоких оборотах, особое внимание инженеры конструкторы уделяют форме и размерам кулачков распредвала, ведь именно от них зависит продолжительность фазы газораспределения.

В поисках компромиссов чему больше отдать предпочтение высокому крутящему моменту на низких оборотах или повышенной мощности на высоких оборотах, инженеры потихоньку пришли к решению создать систему с изменяемыми фазами газораспределения . В которой для каждого режима работы двигателя фазы газораспределения будут индивидуальны.

Впервые система изменения фаз газораспределения была применена в 1983 на легендарной марке автомобилей Альфа Ромео. После удачного опыта, применение данной системы, она стало появляться и на других известных марках, таких как Mercedes-Benz, Porsche, BMW, Honda и др.

Основными положительными качества данной системы являлось то, что получилось добиться:

1. Заметного улучшения работы двигателя на холостом ходу.
2. Снижение расхода топлива.
3. Увеличение мощности.
4. Оптимального крутящего момента на различных оборотах.
5. Естественной рециркуляции отработавших газов, а с ней и уменьшение выбросов оксида азота в атмосферу.

Добиться изменения фаз газораспределения можно несколькими способами, на данный момент их три:

• с помощью поворота распредвала.
• применение кулачков разной формы.
• изменением высоты подъема клапанов.

Данный способ изменения фаз нашли применение на следующих марках автомобилей:

• Toyota - VVT-i (Dual VVT-i);
• Volkswagen - VVT;
• Honda - VTC;
• Volvo, Hyundai, Kia - CVVT;
• Renault - VCP;
• BMW VANOS;
• General Motors;

На впускном (аналогично и на выпускном) распределительном валу расположена гидромуфта, которая под контролем блока управления поворачивает его на заданный угол, тем самым, изменяя фазу газораспределения.

Весь механизм установлен на головке блока цилиндров, снизу к нему подходят масляные каналы системы смазки двигателя для управления обоими гидромуфтами. На корпусе механизма установлены два электрогидравлических распределителя, которые и обеспечивают подвод масла к муфте.

состоит из ротора, жестко закрепленного на распределительном валу и корпуса муфты в роли, которой выступает шкив газораспределения. В роторе расположены масляные каналы, по которым масло заполняет камеры образованные между ротором и корпусом. Заполнение той или иной части камеры приводит к повороту ротору относительно корпуса, что в итоге обеспечивает поворот распределительного вала на необходимый в данный момент угол.

Сама система устроена таким образом, что в блок управления поступают основные сигналы параметров двигателя: частота вращения двигателя, расход воздуха и его температура, температура охлаждающей жидкости, данные с датчиков Холла установленных на механизме газораспределения. На основании этих данных блок управления посылает сигналы электрогидравлическим распределителям, которые в свою очередь управляют самой гидромуфтой, под действием давления масла в системе смазки автомобиля.

Эту технологию себе на вооружения взяли следующие марки: В первую очередь снова выступает Honda со своей известной системой – VTEC;

• Toyota - VVTL-i;
• Mitsubishi - MIVEC;
• Audi - Valvelift System;

Данный вид системы изменения фаз газораспределения разберем на примере системы VTEC.

Система устроена следующим образом: На каждый цилиндр имеется два впускных клапана 1, три коромысла 2 и три кулачка на распределительном валу. Два крайних одного размера 3, а третий по середине большего 5.

1. На малых оборотах под воздействием малых кулачков усилие на впускные клапана передаются через крайние коромысла, обеспечивая их открытие в данном режиме. Среднее коромысла в этом режиме работы двигателя не участвует, что в итоге обеспечивает короткие фазы газораспределения.
2. При переходе двигателя в режим высоких оборотов автоматически срабатывает гидравлический блокирующий механизм 4, который соединяет все коромысла между собой вместе.
3. Теперь на коромысла воздействует только средний, кулачок большего размера, что приводит к удлинению фаз газораспределения.

В другой модификации системы VTEC, в отличие от предыдущей, присутствуют три режима регулировки, на малых, на средних и на высоких оборотах. В этой системе три кулачка разного размера. На малых оборотах в работе участвует один малый кулачок, открывающий только один впускной клапан. На средних оборотах два малых кулачка открывающие оба клапана. На высоких оборотах, так же как и в предыдущем случае, один большой открывающий оба клапана.

На современных двигателях Honda использует результат двух объединенных систем VTEC и VTC, такая система получила название I-VTEC. Она более сложная, нежели ее предшественники, но в то же время благодаря объединению этих двух систем в единое целое I-VTEC получила возможность расширить параметры регулирования.

Первый успех в применении системы регулировки высоты подъема впускного клапана добилась BMW, представив в 2001 году на Женевском автосалоне своей BMW 316ti Compact с системой Valvetronic.

После успеха BMW в освоение данной системы, добились подобного результата и следующие марки:

• Nissan - VEL;
• Toyota – Valvematic;
• Fiat – MultiAir;
• Peugeot - VTI;

1) Электродвигатель (сервопривод). 2) Червячный вал. 3) Пружина возвратная. 4) Впускной распредвал. 5) Выпускной распредвал. 6) Червячная шестерня. 7) Эксцентриковый вал. 8) Промежуточный рычаг. 9) Коромысло впускного клапана. 10) Гидрокомпенсатор выпускного клапана. 11) Коромысло выпускного клапана. 12) Выпускной клапан. 13) Гидрокомпенсатор впускного клапана. 14) Впускной клапан.

В системе изменения высоты подъема клапанов помимо классической связки распределительный вал – коромысло – клапан, присутствует еще эксцентриковый вал и промежуточный рычаг.

Так же как и в предыдущих системах всем управляет блок управления, получающий сигналы с датчиков установленных на двигатели. Сопоставляя все поступившие сигналы, он посылает сигнал управления сервоприводу 1, который через червячный вал 2, вращает эксцентриковый вал 9.

Эксцентриковый вал 9 в свою очередь изменяет положение промежуточного рычага 10, а он через коромысло 11 высоту подъема впускного клапана 16 регулируя фазы газораспределения. Таким образом, данная система может очень точно подобрать необходимую фазу газораспределения на любых оборотах.

› Зачем менять фазы газораспределения

К ачество 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.

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

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

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

При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.

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

Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью - на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Вот так задачка!

Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими.

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

А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них - применение фазовращателя - специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие - лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

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

Но неуёмные инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами. Например, в тойотовской системе VVTL-i после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный - с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000-6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

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

Изменять момент и продолжительность открытия - это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).

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 0,5–2 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 5-15 %. Но и это не последний рубеж.

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

Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.

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

В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы - прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?

А это схема работы механизма VVTL-i , предложенная компанией Toyota. Здесь высота подъёма и продолжительность открытия обоих впускных клапанов изменяются скачкообразно. При работе двигателя на частотах вращения коленчатого вала до 6000 об/мин высота подъёма и продолжительность открытия обоих клапанов задаются кулачком (1), который через рокер (5) воздействует на оба клапана. На оборотах выше 6000 закон движения клапанов задаётся более высоким кулачком (2). Чтобы ввести его в строй, нужно переместить сухарь (3) вправо (сухарь перемещается под давлением масла, которое в нужный момент повышается в управляющей магистрали). После того как сухарь переместился вправо, кулачок (2) через шток (4), который до этого времени свободно качался, начинает воздействовать на клапаны через рокер.

Опытный образец четырёхцилиндрового мотора с электромагнитным приводом клапанов и непосредственным впрыском был создан компанией BMW. Здесь количество воздуха, поступающего в цилиндр, регулируется продолжительностью открытия клапана, ход при этом не регулируется. Якорь подпружиненного клапана помещён между двумя мощными электромагнитами, которые призваны удерживать его только в крайних положениях. Чтобы предотвратить ударные нагрузки, каждый раз при приближении к крайнему положению клапан тормозится. Положение и скорость перемещения клапана фиксируются специальным датчиком.

Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это - уже совсем другой разговор.