Еще в 80-х годах XX века создатели автомобильных моторов начали внедрять в свои разработки системы изменения фаз газораспределения. Зачем нужны новые механизмы и какими они бывают?
Еще в 80-х годах XX века создатели автомобильных моторов начали внедрять в свои разработки системы изменения фаз газораспределения. Зачем нужны новые механизмы и какими они бывают?
| Еще в 80-х годах XX века создатели автомобильных моторов начали внедрять в свои разработки системы изменения фаз газораспределения. Зачем нужны новые механизмы и какими они бывают? |
Зачем делят фазы?
Большинство ДВС работает по четырехтактному циклу. Сначала поршень движется вниз, всасывая смесь бензина с воздухом (или воздух в дизеле), – такт впуска. Поднимаясь вверх, поршень сжимает рабочую смесь – сжатие. Далее смесь поджигается (или самовоспламеняется – в дизеле) и давит на поршень, двигая его вниз (рабочий ход). И наконец поршень движется вверх, выталкивая отработавшие газы, – такт выпуска.
Но рабочая смесь и отработавшие газы обладают определенной инертностью, поэтому для их перемещения требуется некоторое время. Если выпускной клапан оставить открытым на некоторое время после того, как поршень «прошел» ВМТ, часть выхлопных газов имеет возможность «улететь» по инерции. Впускной клапан также желательно закрывать с опозданием – после прохождения НМТ. Это даст возможность дополнительной части заряда топливо-воздушной смеси попасть в цилиндр. Поэтому в некоторых положениях коленвала открытыми могут быть одновременно все клапаны (впускные и выпускные). Такое положение называют перекрытием фаз.
До некоторых пор момент открытия и закрытия клапанов четко устанавливался конструкторами для конкретного двигателя и определялся профилем кулачков распределительного вала и взаимным положением валов привода. Но на разных режимах работы мотора скорость всасывания смеси и выталкивания газов отличается, поэтому для получения оптимальных характеристик желательно эти фазы сдвигать. Таким образом, один и тот же двигатель можно заставить лучше «тянуть» в более широком диапазоне оборотов. Для решения этой задачи разработаны и широко используются механизмы, позволяющие смещать и изменять фазы при работе двигателя. Более того, разные производители добились требуемого результата своими собственными оригинальными способами.
Закручиваем распредвал
Конструкторы Alfa Romeo, Mercedes-Benz и ряда других фирм изменяют момент открытия (закрытия) впускных клапанов путем проворачивания распредвала по отношению к шестерне привода. Для этого используется гидропривод, который управляется давлением масла в системе смазки или выполняет команды электронного блока управления двигателем. Его особенностью является бесступенчатое изменение моментов открытия и, соответственно, закрытия впускных клапанов.
Разработанная инженерами BMW система Vanos также управляет положением распредвала привода впускных клапанов, а ее дальнейшее развитие – механизм Double VANOS – регулирует моменты открытия-закрытия как впускных, так и выпускных клапанов. Их конструктивные особенности в том, что они принимают сигналы от блока управления двигателем и учитывают не только частоту вращения коленвала двигателя, но и нагрузку на него (степень открытия дроссельной заслонки).
При всех своих положительных качествах системы, обеспечивающие «сдвиг по фазе», не позволяют получить оптимальный результат. Причина в том, что используется распредвал с неизменным профилем кулачка, а значит, изменить продолжительность пребывания клапана в открытом положении без дополнительных механизмов невозможно.
Кулак кулаку рознь
Специалисты Honda подошли к вопросу изменения фаз газораспределения по-другому. Они изменили момент и длительность открытия и закрытия клапанов (впускных, а в некоторых поколениях и выпускных) путем внедрения в конструкцию распредвала кулачков разного профиля, предназначенных для работы на разных режимах. Такой ГРМ получил название VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control – электронная система управления временем открытия и высотой подъема клапанов). Один из профилей обеспечивает необходимое время открытия и высоту подъема клапанов на средних частотах вращения коленчатого вала. При высокой частоте вращения вспомогательное коромысло, которое работало вхолостую со вторым кулачком другого профиля, блокируется с основным коромыслом. При этом клапан начинает подниматься на большую высоту и дольше остается открытым. Наполнение цилиндра рабочей смесью улучшается, в результате чего резко увеличивается мощность. Блокировка коромысел производится поршеньком, который управляется давлением масла в системе смазки двигателя.
Применение такого способа регулирования фаз позволяет одновременно обеспечить экономичность при работе на малых и средних оборотах и высокую мощность на больших оборотах. Дальнейшее развитие системы VTEC привело к использованию электроники для определения оптимального времени и высоты (продолжительности) открытия клапанов. В отличие от первого поколения VTEC, система работает в трех режимах: на низких, средних и высоких оборотах. Затем появилось третье поколение, у которого один из кулачков сделали круглым. В результате система при малых оборотах открывает только один впускной клапан вместо двух, что позволяет создать завихрения в цилиндрах. Это улучшает смесеобразование, соответственно, появляется возможность работать на более бедных смесях, что повышает экономичность.
Конструкторы Fiat предпочли наиболее сложный в реализации, но и самый эффективный способ – непрерывное изменение фаз газораспределения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. С этой целью они используют кулачок с криволинейным трехмерным профилем, который вместе с распределительным валом может перемещаться в осевом направлении. В установленных рабочих диапазонах вращения коленчатого вала существенно увеличивается крутящий момент двигателя.
Возможны варианты…
В то время как специалисты Honda предложили схему со ступенчатым изменением высоты подъема кулачка, инженеры BMW решили эту проблему иначе. К системе Double VANOS они добавили механизм Valvetronic, который управляет высотой подъема клапана. Для этого в головку блока установили еще один вал, который выполняет роль промежуточной опоры коромысел привода клапанов. Угол поворота этого вала может изменяться при помощи электропривода, эксцентрик которого изменяет положение коромысел, передающих усилие к клапанам. Управляет этими процессами ЭБУ двигателя. Это позволяет точно дозировать количество рабочей смеси, подаваемой в цилиндр.
Внедрение такого устройства дало возможность не только улучшить характеристики двигателя, но и отказаться от дроссельной заслонки во впускном коллекторе, сократив тем самым аэродинамическое сопротивление впускного тракта.
Перспективы
По мнению многих специалистов, механические системы регулирования фаз газораспределения, обеспечивающие изменение времени открытия клапана и высоту его подъема (точнее, «опускания» в камеру сгорания), – это пройденный этап. Создатели моторов уже научились отключать отдельные цилиндры, а следующая разработка, которая пойдет в серийное производство, – «персональное» управление каждым клапаном при помощи электромагнитного или гидравлического приводов.