Что такое система изменения фаз газораспределения

14.09.2015 | 98366 просмотров

Сейчас тот факт, что на фоне более чем вековой истории автомобиля о системах изменения фаз газораспределения мы знаем всего четверть столетия, выглядит странным. Настолько они вошли в наш обиход.

Ну да, у такой «задержки в развитии» были и технологические причины, и просто конструкторам-производителям к этому нужно было прийти. Зато на рубеже 80–90-х годов 100 «лошадок» с одного атмосферного литра хондовских моторов произвели фурор.

Причем тот Variable valve Timing and lift Electronic Control, он же VTEC, не просто вдыхал в двигатель новые силы — еще и слыл надежным. Что изменилось теперь?

Сначала немного теории. Известно, что эффективность работы двигателя, так сказать, его базовые характеристики, во многом, если почти не во всем, зависят от правильного газораспределения — грамотного сочетания фаз впуска и выпуска. Иными словами, наполнения топливо-воздушной смесью камеры сгорания и ее очистки от продуктов горения.

С самого появления ДВС и до сегодняшнего дня за эти процессы отвечают распределительные валы. Точнее, их кулачки, чей профиль задает не только момент открытия впускных и выпуск клапанов, но и определяет продолжительность этого и величину их хода (высоту подъема). Отрепетированная конструкция, корректировать которую, казалось бы, не имеет никакого смысла.

Нет, конечно, мы знаем, что в свое время распредвал располагался в блоке и приводился шестернями. Механизм ГРМ мог быть нижнеклапанным. Валов с каких-то пор в головке цилиндров стало два вместо одного. И привод их по ряду причин менялся: был сперва цепным, потом ременным, после становился снова цепным.

Но это не меняло основного принципа работы ГРМ — отсутствия зависимости фаз впуска и выпуска от количества оборотов коленвала.

Что такое система изменения фаз газораспределения

Игра с впуском и выпуском — это основа настройки двигателя. Сейчас можно говорить, что системы изменения фаз газораспределения — базовые устройства, от которых мотористы вряд ли откажутся

Между тем подобная зависимость для более эффективной работы двигателя принципиальна. Ведь сочетание давления и разрежения во впускном и выпускном трактах зависит от режимов работы.

Поэтому, например, на холостых или низких оборотах мотор «просит» нулевого либо минимального перекрытия фаз, то есть ситуации, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. При невысоких оборотах это позволяет не создавать противодавления — попадания выхлопных газов во впускной коллектор.

Экономить горючее и быть двигателю экологичнее, не допуская вылета топливо-воздушной смеси в выхлопную трубу. Однако с ростом оборотов экономия/экология должны отходить на второй план — в угоду мощности.

А для ее обеспечения длительность перекрытия фаз надо увеличивать, поскольку для лучшей отдачи теперь за единицу времени через камеры сгорания необходимо пропускать как можно большее количество горючей смеси.

Об этом хорошо знают в мире спорта, где давно используются «горбатые», на сленге, распредвалы, имеющие более выраженный профиль кулачков. Такие дают более высокий подъем клапанов, длительность их открытия и «широкие» фазы. Однако «на гражданке» подобные валы ни к чему — мотор с ними не будет тянуть «снизу». И в итоге инженерами выбирается некое усредненное значение, относительно оптимальное для всех оборотов.

Правь, Япония, валами… точнее, фазами

Нам неизвестны достоверные факты того, что кто-то научился менять фазы в режиме реального времени, скажем, еще полвека назад или ранее. Наверняка опыты с чем-то подобным велись. Но первое упоминание о серийном использовании относится к 1986 году, когда изменение фаз на впуске получила Alfa Romeo Spider.

Что такое система изменения фаз газораспределения

Красивая «итальянка» в своем третьем поколении и при рестайлинге 1986 года получила на двухлитровую о паре валов «четверку» электронный впрыск топлива. А вместе с ним — систему изменения фаз газораспределения. Двигатель развивал чуть более 130 сил, о массовом использовании VVT речи не шло…

И все же отцами того, что мы сейчас знаем под обобщенным названием Variable Valve Timing, принято считать инженеров Honda. Причем даже сейчас, когда в подавляющем большинстве моторов есть система, регулирующая фазы, та конструкция, которая была изобретена 26 лет назад, впечатляет своей простотой и эффективностью.

Что такое система изменения фаз газораспределенияЧто такое система изменения фаз газораспределения

Integra (купе и седан) стала первой моделью Honda, чей 1,6-литровый мотор оснастили механизмом VTEC. В результате вместо привычных уже тогда для компании 100–120 сил установка развивала 160 «лошадей». При этом они не были «размазаны» по всей шкале тахометра, а красная зона начиналась почти с 8500 об/мин

А ведь все, что надо было сделать, это добавить к двум кулачкам третий, более высокий. Им и впускные, и выпускные клапаны управлялись на больших оборотах — от 6200 и выше. Да, фактически у того B16A VTEC работал дискретно — до того «выкл.», потом «вкл.». Зато в двигатель словно вселялся злой дух.

Обычный (и вполне экономичный!) на низких и средних оборотах, на «верхах» мотор превращался в зверя. Правда, в 1991 году Honda выпустила менее экстремальную версию своего механизма — так называемый SOHC VTEC. Как следует из названия, он использовался на одновальных агрегатах, причем только на впуске.

И хотя машины с ними не обладали взрывным характером, система изменения в этом случае все же добавляла «лошадок». Так, без нее полуторалитровый мотор развивал 100 сил, с ней — 130.

Что такое система изменения фаз газораспределения

Даже не зная английского, можно понять, как хондовские рокеры соединяли штатные коромысла со средним коромыслом, заставляя оба клапана работать по большому кулачку

Следующим этапом стала система, прямо противоположная первым двум. Видимо, доказав всему миру, на что способны их атмосферные моторы, в Honda решили удивлять экономичностью. SOHC VTEC-E представлял из себя следующее. На два впускных клапана полноценным был только один кулачок. Второе коромысло работало по цилиндрической, кольцевой поверхности вала.

Таким образом, на невысоких оборотах один клапан был закрыт. И смесь, попадая в камеру через второй, закручивалась, что улучшало смешивание топлива с воздухом и позволяло мотору питаться обедненным продуктом. Начиная со средних оборотов, оба впускных клапана начинали управляться единственным нормальным кулачком.

Как вы понимаете, прироста мощности здесь не было вообще, однако экономические показатели обещались очень хорошие.

Наконец, в конце 1995 года на Civic шестого поколения (двигатель D15B) дебютировала система 3-stage SOHC VTEC. В ней пара впускных клапанов управлялась опять же тремя кулачками, один из которых был, как на VTEC-E, кольцом, второй обычным, третий — высоким.

То есть сначала один клапан не работал, потом оба управлялись нормальным кулачком, а затем переходили в режим максимального подъема. Это было сочетание экономичности, тяговитости и небольшого «взрыва» на «верхах».

Между тем двухвальные с DOHC VTEC установки к тому времени развивали уже и 185 (B16B), и 200 (B18C), и 220 (H22A) сил.

Что такое система изменения фаз газораспределенияЧто такое система изменения фаз газораспределения

Наверняка сама технология выполнения распредвалов с разновеликими кулачками была несложная. Другое дело сопутствующие детали и обеспечивающая механизм приводом гидравлика. Предположим, что ради взрывной отдачи на «верхах» многие производители просто не стали городить огород и усложнять устройство головки цилиндров

Нужно отметить, что опыт Honda очень быстро переняли в Mitsubishi, где в 1992 году появился свой аналог подобной системы — MIVEC. Один из двигателей — 1,6-литровый 4G92, устанавливавшийся, например, на Mirage и Lancer — развивал 175 л. с.

А вот баварцы пошли по своему пути и тоже первыми массово внедрили свою разработку. В 1992 году на «шестерках» BMW серии M50 дебютировала система изменения фаз, где ими управляли не кулачки — механизмы, расположенные в шестернях ремня ГРМ и поворачивавшие распредвал.

Тогда еще только впускных клапанов (VANOS), а с 1996 года и выпускных (double VANOS).

К концу 90-х, и тем более в начале 2000-х, к такому принципу изменения фаз производители начали приходить поголовно.

Несмотря на то, что, в отличие от систем подобных VTEC, поворот распредвалов не регулирует ширину фаз (ведь клапаны всегда поднимаются на одну и ту же высоту, и длительность их открытия не меняется), у него есть свои преимущества.

Точнее, по принципу работы единственное, но ключевое. Эта система изменяет фазы не ступенчато — постоянно. Ну а самый распространенный механизм представляет собой следующее.

На ротор, жестко соединенный с распредвалом, надет корпус муфты, являющийся одновременно шестерней ГРМ. Между тем и другим получаются камеры, в которые по каналам ротора поступает масло. Заполняя их, оно сдвигает ротор относительно корпуса муфты, вращая тем самым и весь распредвал.

Что такое система изменения фаз газораспределения

На этих рисунках видно, как работает механизм поворота распредвала

В начале прошлого десятилетия появились фазовращатели с электроприводом. Между тем вдобавок к вращению вала не отказались некоторые инженеры (иные даже пришли к этому) от дополнительных высоких кулачков.

Мы знаем, что в 2001 году Honda совместила оба принципа изменения фаз, получив свой i-VTEC, впервые примененный на моторах серии K. Toyota тоже «баловалась» добавлением «горбатых» кулачков.

Как минимум однажды ее система VVTL-i (где L, Lift, как раз и указывала на регулирование высоты подъема клапанов) использовалась на двигателе 2ZZ-GE, устанавливавшемся на купе Celica. Экспериментировали с «лифтом» и в Audi.

На «шестерках» FSI объемом 2,8- и 3,2 л высокие кулачки располагались на впускных валах. У двухлитровых «четверок» TFSI ради лучшей продувки камер сгорания подъем и длительность открытия клапанов осуществлялась на выпускном валу.

Ну а последний «газораспределительный хит» из серийных и относительно распространенных — это бездроссельные системы.

Первыми такую представили баварцы в 2001 году (хотя наброски подобного механизма Fiat рассекретил еще в 1972-м), а сейчас она на вооружении у Nissan, Toyota, Fiat и Peugeot.

Принцип работы, как видно на видео, в том, что между коромыслом клапана и распредвалом есть промежуточный рычаг. Он, в свою очередь, связан с валом, на котором расположен эксцентрик. И этот дополнительный вал управляется электродвигателем.

Получается подобная системе VTEC регулировка высоты подъема и длительности открытия клапанов. Только не ступенчатая — постоянная. По конструкции могут быть варианты. Так, в BMW электромотор приводит эксцентриковый вал с помощью червячной передачи.

У Nissan там механизм типа винт–шариковая гайка. Итальянцы же, будто вспомнив о своих былых заслугах, вообще отказались от механической связи между кулачком и клапаном.

Вместо привычных коромысел — гидроцилиндры, которые благодаря изменению давления моторного масла регулируют работу клапанов.

Читайте также:  Назначение коробки передач: для чего нужна коробка передач в машине

Что такое система изменения фаз газораспределения

Механизм типа Valvetronic у BMW, VVEL (Variable Valve Event and Lift) у Nissan или Valvematic у Toyota все-таки сложен. Имеет «лишние» детали, которые занимают место в головке блока и добавляют веса. К тому же наверняка потребует дополнительных манипуляций и запчастей при обслуживании/ремонте

Что такое система изменения фаз газораспределения

На 155-сильном 1,4-литровом турбодвигателе Alfa Romeo MiTo система Multiair работает следующим образом. Единственный распредвал все же приводит выпускные клапаны. Но некое подобие коромысла впускных клапанов воздействует на первый гидроцилиндр. Далее следует электромагнит и индивидуальные для каждого впускного клапана рабочие гидроцилиндры

Придя к бездроссельному газораспределению, производители получили еще один положительный эффект — отсутствие разрежения на впуске, создаваемого заслонкой. Но при этом все-таки не отказались от фазовращателей на валах.

Именно сочетание их и бесступенчатой регулировки хода и длительности открытия клапанов позволяет, по оценкам инженеров, обрести 10–15%-процентное снижение расхода топлива и аналогичную прибавку крутящего момента.

Наверняка столько же пообещают, когда на производственную сцену выйдут ГРМ без распредвалов, где клапаны полностью перейдут на электронное «обеспечение». Впрочем, ждать этого массово в самое ближайшее время не приходится.

Та же Toyota, например, не спешит оборудовать все моторы своим Valvematic`ом. А что же ждать от «традиционных», если такое определение уже уместно, систем изменения фаз?

Роман Гярви, частный мастер, стаж работы более десяти лет

— Среди многих автомобильных устройств — современных или появившихся несколько десятилетий назад — системы изменения фаз, пожалуй, наиболее надежные. Обслуживать нет необходимости, ресурс обычно сопоставим с ресурсом мотора, и чтобы вывести их из строя, нужно постараться. Цепи ГРМ растягиваются и иногда даже рвутся чаще, чем бывают проблемы со всеми этими VVT.

Тем не менее в общей массе позитива встречается немного негатива. Скажу о том, с чем сталкивался. Так, на не новых уже агрегатах Toyota от JZ до серий MZ, NZ, ZZ подклинивают гидроклапаны. А вот на V-«образниках» из линейки GR все же выходят из строя.

VANOS брякает. С этим до поры до времени можно мириться, но на каком-то этапе двигатель начинает «чековать» и перестает тянуть на «низах». Нужно менять.

На Subaru тоже приходится обращаться к новым деталям, но по другой причине — муфты текут уплотнениями, а отдельно резинки не предлагаются.

У моторов FSI и TFSI от VW иная проблема — отворачиваются звездочки только с нагревом, от чего муфту ведет.

Менять ли звездочки ГРМ, в которых находятся муфты, при замене цепи, — решать владельцу. Это дорого и, считаю, нецелесообразно. Выработке подвержена та звездочка, что находится на коленвале. А на верхних обычно почти никакого износа.

Так называемый фазовращатель — достаточно простое устройство, к тому же не нагруженное механически. Поэтому лишь в редких случаях отмечается или даже отмечался его износ. Но чистота масла для муфт и управляющих клапанов принципиальна. Например, на моторах Toyota последних поколений с его заменой нельзя затягивать еще и по причине выхода фазовращателей из строя

От себя добавим, что есть еще установки, в которых системы изменения фаз могут потребовать от владельцев внимания. Например, на 2,5-литровых «четверках» 2AR у Toyota подклинивали муфты, менявшиеся по гарантии. Вольвовская CVVT, точнее, ее управляющий клапан, просит промывки, причем фирменной жидкостью. Иначе отказывает вся муфта.

Аналогичный узел реношной системы изменения фаз, по крайней мере, до середины двухтысячных, не требовала чистки — просто изнашивалась задолго до пробегов в 50 тыс. км. Примерно в это же время с тем же симптомом отказывала муфта на фордовских моторах, оснащенных Ti-VCT. При этом речь шла уже о двух фазовращателях — на впуске и выпуске.

А самый показательный случай — выход из строя серводвигателя, вращающего промежуточный вал в баварской Valvetronic. Отпущенный срок — около тех же 50 тыс. км. Не исключено, существуют еще какие-то примеры неисправностей муфт и других компонентов, но общей картины это не меняет.

Необходимая в современных условиях система, чье наличие, пусть и не ярко, но все же сказывается на ходовых качествах (особенно у тех моторов, которые ее не имели, а потом обрели), не стала в эксплуатации тяжкой обузой. Ведь даже восстановление работоспособности зачастую не так уж дорого. Скажем, б/у фазовращатели могут стоить от 3000 до 10 000 руб.

По новым же можно уложиться в 15 000 руб. В том числе если это будет не сама муфта — скажем, электромотор бээмвэшного эксцентрикового вала. Все дешевле, чем разные common rail`ы, direct`ы и «дэпээфы».

1,8-литровый двигатель 2ZZ-GE, развивавший 190 сил, имел и фазовращатели, и дополнительные высокие кулачки. И один дефект на моторах, выпущенных в 2000–02 гг. Срезало болт крепления оси коромысел…

Система изменения фаз газораспределения – что это и как работает

Очень часто при описании автомобилей зарубежных концернов рядом с мотором стоят какие-то непонятные аббревиатуры. VTEC, MIVEC, VVTi – и так далее, вариантов очень много.

Несмотря на различные названия речь всегда идет об одном и том же – системе изменения фаз газораспределения, просто из-за патентов и интеллектуального права все разрабатывают системы и называют их по-своему, но суть у всех одна. Вот о ней мы и расскажем.

Что такое система изменения фаз газораспределенияГазораспределительный механизм

Что это

Даже поверхностно знакомый с устройством мотора водитель знает, что в головке блока цилиндров есть распределительный вал, который при вращении управляет открытием и закрытием клапанов. Для этого на валу есть специальные кулачки.

Конструкторы мотора с помощью формы и размеров кулачков могут очень точно управлять временем открытия клапанов – на какой стадии цикла открываются, на какой закрываются и так далее. Это важные факторы, потому как они напрямую влияют на мощность мотора, его экономичность и эластичность.

Грамотный подбор кулачков – секрет стабильной работы мотора.

Что такое система изменения фаз газораспределенияРаспредвал с разновеликими кулачками

С механической точки зрения тема изучена давно, любой автомобильный инженер хорошо знает как менять характеристики кулачков, чтобы улучшить поведение мотора, а словосочетание «спортивные валы» уже стало именем нарицательным – замена распредвалов на спортивных автомобилях позволяет очень заметно увеличить мощность мотора.

Если так, то в чем проблема? А она в том, что оптимальное время открытия и закрытия клапанов разное в зависимости от оборотов мотора и силы нажатия водителем на дроссель.

На низких оборотах нужны одни характеристики, на высоких – другие, но кулачки – это готовое металлическое изделие, которое не может подобно терминатору Т-1000 по первому требованию сменить форму.

Что такое система изменения фаз газораспределенияУстройство

На специализированных машинах эту проблему решают в ущерб непрофильным режимам работы, например, спортивные автомобили очень плохо едут на низких оборотах и не экономят топливо, зато около «красной зоны» тахометра выдают максимум. На гражданских машинах используются усредненные показатели, максимальных характеристик в таком случае мотор не показывает, но зато работает стабильно во всех режимах.

Совершенно логично, что инженеры еще на заре автомобилестроения начали думать, как бы реализовать возможность менять фазы подъема клапанов в зависимости от ситуации.

Несмотря на то, что разные патенты появлялись еще с 1920-х годов, задача на практике оказалась очень непростой, первое серийное использование системы фаз газораспределения относится только к 1980-м годам.

Первыми были инженеры Alfa Romeo, но за ними быстро подтянулись и другие, особенно после того как с развитием компьютерной техники появилась возможность электронного управления.

Как работает

Несмотря на то, что все эти VTEC, MIVEC, VVTi и прочая-прочая ставят одинаковые цели и в целом про одно и то же, реальное техническое решение по управлению клапанами у инженеров разных компаний могут отличаться.

Чтобы не расширять статью сверх меры и не путать читателей, мы решили не разбирать все системы, а остановиться на одной из них, а именно VTEC от компании Honda.

Даже в рамках одного производителя система управления клапанов работает по-разному, и на примере VTEC легко наблюдать как развивались технологии.

Первый мотор с управлением фаз газораспределения инженерам Honda удалось выпустить в конце 1980-х годов. Это был мотор B16A, легендарный силовой агрегат.

Управление фазами там было реализовано с помощью того, что на распредвале было не два кулачка, а три, кроме того стоял дополнительный клапан, который по команде от ЭБУ увеличивал давление масла.

Под действием давления выдвигались специальные штифты и клапанами управляли уже не основные кулачки, а третий, дополнительный, который был настроен на высокие обороты. В головку блока встроили дополнительный датчик давления масла, благодаря которому ЭБУ понимал, когда «включать» дополнительный кулачок.

Вместе с переходом на иную фазу распределения ЭБУ менял углы зажигания и увеличивал подачу топлива. Суммарно это давало отличный эффект – атмосферный мотор 1,6 развивал на максимальных оборотах (около 7000-7500 в минуту) мощность 160 л.с. К тому же система получилась надежной.

Что такое система изменения фаз газораспределенияДвигатель Honda B16A

Добившись хороших результатов в плане мощности, инженеры переключились на экономичность. Вторая версия системы VTEC имела уже три режима работы. Кулачков на все не напасешься, поэтому в некоторых режимах клапанами начали управлять специальные рокеры, которые приводились в действие все тем же давлением масла через клапан.

Появился экономичный режим, когда на низких оборотах при слабом нажатии на педаль газа система открывала только один впускной клапан, второй в смесеобразовании почти не участвовал. В среднем режиме открывались уже оба клапана, в мощном в дело вступал дополнительный кулачок.

И мощность увеличили, и экономичности добавили! Правда, сама система была более капризной из-за наличия дополнительных элементов.

Что такое система изменения фаз газораспределенияУстройство VTEC

К началу нулевых годов инженерам Honda стало ясно, что увеличивать количество кулачков на распредвале не вариант – их там просто негде размещать, потому они придумали другое решение, которое получило название i-VTEC. Кулачки оставались на месте, но смещаться вдоль своей оси получил возможность распредвал.

Шестерня, которая приводит распредвал в движение, стала фактически гидравлическим механизмом, который может менять положение распредвала в пространстве. При смещении оси перемещаются рабочие участки на кулачках, клапаны открываются и закрываются уже по-другому. Самый большой плюс от такой реализации – заметное увеличение количества режимов работы.

Читайте также:  Фургон faw 1041 (фав 1041): характеристики, отзывы

Положений распредвала, конечно, не бесконечное количество, но всяко больше, чем можно физических кулачков нанизать, а значит компьютер имеет много вариантов по управлению смесеобразованием. Изменение фаз стало постоянным, можно сказать, онлайн, а не только при смене режима.

Ну а шестерни, которые меняют положение коленвала в пространстве, в народе начали называть фазовращателями. С атмосферного мотора в 1,6 литра стали снимать уже по 200 л.с.

Что такое система изменения фаз газораспределенияШестерни VTEC

В конце «нулевых» годов вопрос экономичности и снижения токсичности выхлопа уже начал стоять более остро, чем увеличение мощности. Тут система распределения фаз тоже очень пригодилась. Сначала японские инженеры придумали так настроить кулачки, чтобы в такте сжатия приоткрывался впускной клапан.

Естественно, часть топливо-воздушной смеси возвращалась во впускной коллектор. Там она как следует перемешивалась с новой порцией воздуха и в следующий такт снова поступала в цилиндры. Мощность от таких манипуляций немного падала, но зато ниже стал и расход топлива, которое стало лучше смешиваться с воздухом.

Вредные выбросы удалось снизить.

Почти следом у Honda появилась система VCM, которая умеет отключать часть цилиндров в ненагруженных режимах.

Идею японские инженеры подсмотрели у коллег, а вот с технической реализацией все так же помогла система распределения фаз.

Кулачки настроены так,чтобы в некоторых режимах просто не открывать впускные клапана у части цилиндров – в них топливо не поступает, а ЭБУ корректирует это на уровне программы.

Что такое система изменения фаз газораспределенияДвигатель с системами VTEC и VCM

Позже инженеры Honda смогли адаптировать систему изменения фаз для работы с непосредственным впрыском, что позволило еще сильнее увеличить экономичность.

В некоторых режимах мотор может стабильно работать на суперобедненной смеси 65:1 (напомним, что стандартом считается отношение 14,7:1), что заметно снижает расход топлива.

Еще одна версия VTEC получила возможность работать совместно с турбонаддувом.

Немного про минусы

Не у всех автоконцернов работы по изменениям фаз шли в такой последовательности, да и успехи по части регулировки фаз тоже часто до хондовских не дотягивали. Однако, в целом, ретроспектива систем VTEC позволяет понять как развивалась инженерная мысль в вопросе регулирования фаз.

Понятно, что за этим будущее, ведь изменение времени открытия клапанов позволяет и расход снизить, и мощность повысить.

Но есть и определенные минусы – моторы становятся дороже и сложнее по конструкции, а сама система изменения фаз – дополнительный элемент, который может (и увы на практике это часто делает) сломаться, снижает надежность мотора,повышает требование к качеству масла, требует денег на обслуживание.

Недаром многие бюджетные машины до сих пор обходятся без систем управления фаз. Например, на АвтоВАЗе первый фазовращатель появился только в 2015 году на моторе 1,8, тогда как все версии 1,6 (даже 16-клапанные) обходятся без него. Мощность, конечно, несравнимая, но цена вопроса тоже имеет значение.

Что такое система изменения фаз газораспределенияДвигатель 1.8 ВАЗ 21179 с одним фазовращателем — находится справа. Фото — drom.ru

О системе изменения фаз газораспределения vvt понятно и просто

Что такое система изменения фаз газораспределения

На многих автомобилях красуются блестящие шильдики «VVT». На крышках моторов их можно встретить ещё чаще. «Что это за буквы?» – вопрос иногда ставит в тупик продавцов-консультантов и даже мастеров СТОА. В лучшем случае Вы услышите что-то малопонятное про газораспределительный механизм. Ваша просьба уточнить: какие плюсы и преимущества дают эти «три весёлых буквы» – часто остаётся «без комментариев».

А ведь система изменения фаз газораспределения ( VVT [англ. Variable Valve Timing] является одним из её торговых названий) или «фазовращатель» скоро отпразднует 100-летие своего появления на двигателях внутреннего сгорания.

Однако, слишком долго такие системы применялись исключительно в автоспорте и гонках, а появившись на «обычных» авто, не стали предметом вожделения, как, например, турбонаддув или «16 клапанов», при этом играя в совершенстве моторов первостепенное значение.

В этой статье мы восстановим справедливость и расскажем Вам – что такое VVT, CVVT, VANOS, MIVEC, и им подобные названия, именующие по сути одну и ту же систему, очень важную и полезную.

Зачем нужна система управления фазами газораспределения

Простейший опыт, объясняющий всё необходимое

Проделаем простейший опыт. Возьмите длинную жёсткую трубку длиной более 1 метра и внутренним диаметром примерно 1 см плюс/минус полсантиметра. Край протрите от микробов, потому что его придётся взять в рот (я серьёзно, без дурацкого смеха))). Наберите, насколько возможно, полные лёгкие воздуха. И ….

Первая часть опыта. Герметично охватив губами край трубки — неспеша вдувайте туда воздух и когда дыхание закончится — резко закройте отверстие языком. Что чувствуете? Да почти ничего. Так … может быть язык легонько вдавит внутрь отверстия, и не более

Что такое система изменения фаз газораспределения1-я часть опыта … Мееедленно вдуваем воздух в трубку, после чего зажимаем отверстие языком … Почти ничего не происходит

Вторая часть опыта. Также герметично … Но теперь резко, усилием всех лёгких «пока дыхалки хватит» вдуйте в трубку весь объём воздуха и сразу (!) заткните языком отверстие … О-па! Летящий по трубе воздух по инерции прям чуть ли не весь язык в это отверстие за собой норовит засосать!!!

Что такое система изменения фаз газораспределения2-я часть опыта … Мощно вдуть воздух в трубку с максимальным давлением, после чего зажать отверстие языком … Инерция воздуха норовит втянуть язык внутрь!!!

Суть опыта в том, что, благодаря ему Вы реально ощущаете, что воздух обладает массой (m) и импульсом (p = mv) – чем с большей скоростью (v) эта масса перемещается по трубке, тем больше импульс, а значит и инерция.

Этим эффектом заинтересовались ещё в 1910-х годах, и реализовали его путём короткой фазы взаимного открытия впускных и выпускных клапанов на границе 4-го и 1-го тактов 4-тактного ДВС.

То есть — в момент, когда 4-й такт выпуска подходит к своему завершению, и отработавшие газы несутся по выпускному коллектору — их инерцию можно использовать для принудительного засасывания свежей смеси из коллектора впускного.

Своего рода — инерционный наддув. Так и есть.

Пока рабочие обороты ДВС (до 60-70 г.г.) лежали в зоне до 3-4 000 об/мин — было достаточно просто зафиксировать длительность этой фазы взаимного открытия.

Однако по мере совершенствования моторов, увеличения и расширения зоны их наиболее эффективных оборотов (до 5-6 000 об/мин), как и общего увеличения частоты вращения коленвала (до 8 000 об/мин и выше) в совокупности с вариантами увеличения/уменьшения диаметра поршня и его хода — появилась возможность управления «характером» двигателя – сделать его более тяговитым или быстрым, высоко- или низкооборотным, агрессивным или комфортным, и т.д.

Ещё в 70-х встала проблема — на низких оборотах впускные клапаны хотелось бы открывать попозже, а на высоких — пораньше. Тогда движок можно сделать более универсальным, привив ему «характер» одинаково дружелюбный и «спортсменам», и «дачникам». Как это сделать? И в 80-х появились первые массовые системы изменения фаз газораспределения.

Что такое система изменения фаз газораспределенияСравнение рабочих циклов 4-тактных ДВС с VVT и без этой системы

Немного истории: c чего начиналось

Первая официально запатентованная и работоспособная технология изменения фаз газораспределения с помощью механизма, сильно напоминающего десмодромный (в настоящее время – «фирменная черта» двигателей мотоциклов Ducati), была запатентована Porsche в 1959 году, но до серийного воплощения она так и не дошла, блеснув в Формуле 1 и «Ле-Мане». К слову, есть и более ранние патенты Cadillac, Vauxhall и др., оформленные ещё в 30-х и 40-х годах, но дальше экспериментов дело не продвинулось.

Первым стал FIAT, точнее его блистательные спортивные Alfa Romeo 75, получившие в 1986 году даже сегодня потрясающий своей «продвинутостью» бензиновый 2-литровый «Twin Spark».

Помимо двух свечей на цилиндр и двух распределительных валов (Twin Cam), при 8-клапанной (!) схеме (16-клапанная появится в 1997 году), впервые в мире серийно он оснащался электромеханической системой смещения фаз газораспределения с помощью электромагнитной муфты, с которой был связан ещё и один из распределителей зажигания на «нечётную ветвь» свечей.

Что такое система изменения фаз газораспределенияДвигатель Alfa Romeo 2.0 Twin Spark — первый серийный с системой изменения фаз газораспределения

Для конца 80-х снимаемая с 2-х «атмосферных» литров мощь в 148 л.с.

считалась «чудовищно» высокой, а с учётом развиваемой с 5600 об/мин вплоть до «красной зоны» на 8000 об/мин и «отсечки» на 8700 об/мин максимальной мощности: никто даже не помышлял усомниться в том, что «Альфы» — это действительно «Феррари для всех».

Сопутствовали успеху и блестящие триумфы Alfa Romeo в самых крутых международных и национальных гоночных чемпионатах, как и победы её «сестры» Lancia Delta на раллийных трассах с теми же движками.

Японская Honda уже в конце 80-х ставшая авторитетом в Формуле 1 своими гоночными моторами и чемпионскими титулами Айртона Сенны и Алена Проста, конвертировала своё технологическое преимущество в серийной технике. С 1989-го в продаже появились спортивные автомобили Honda Integra, Civic CRX и др., оснащённые 1.

6-литровым «атмосферником» с технологией впрыска PGM-F1 и системой изменения фаз VTEC, что позволило снять со скромного рабочего объёма рекордные 150-160 л.с. Успех был потрясающим, автомобили и моторы – стали легендарными, а присущий «японцам» потенциально большой ресурс лишь «разогрел» внимание к новинкам.

Пока эти машины были новыми – всё шло хорошо, но по мере накопления пробега «вылезли» недостатки.

Их «ахиллесовой пятой» стала … даже не столько механическая или эксплуатационная надёжность, сколько социальная и региональная! Попав в Россию в 90-х этих «чистопородных скакунов» заправляли отнюдь не заграничным «Супером 95 или 98», а «чем придётся», в том числе и «палёным» 92-м. Моторные масла использовались – тоже отнюдь не предписанные, и на которых приходилось ездить заметно дольше, чем указывалось в заводском техрегламенте. Поэтому жила у нас эта сногсшибательная в Европе, Америке и Японии техника — весьма недолго. Благодаря «Кулибиным» и «Ломоносовым» ресурс удавалось продлевать до нескольких сот тысяч километров, но это было лишь «продлением агонии». Инженерам автопроизводителей было ясно – нужна какая-то более простая и надёжная система. Поэтому до начала 2000-х большинство крупносерийных движков не имели фазорегуляторов.

В 1992 году Porsche запатентовала систему Valvematic со смещением фаз посредством давления масла в основной системе и следственным перемещением муфты с винтовым направляющим элементом.

В течение последующих нескольких лет Denso и Borg&Warner разработали близкие по принципу действия конструкции, в которых изменение фаз под действием давления масла осуществлялось перемещением соосного распредвалу ротора.

Читайте также:  Расположение педалей в автомобиле с механической коробкой и коробкой-автомат

Относительно других конструкция оказалась более простой, компактной и надёжной, а главное – ею мог управлять внешний клапан любой удобной конструкции, размещённый в наиболее подходящем месте, которым будет рулить мозг компьютера.

Зачем менять фазы газораспределения — ДРАЙВ

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. Из-за 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 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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector