Ефективність роботи будь-якого ДВС, ККД двигуна, показник потужності, моментная характеристика та паливна економічність безпосередньо залежать від ряду факторів. Однією з важливих складових у списку є фази газорозподілу. Відповісти на питання, що таке фази газорозподілу двигуна, можна наступним чином. Під такими фазами варто розуміти своєчасне відкриття і закриття впускних і випускних клапанів.
Більшість сучасних ДВЗ все більш активно отримують систему зміни фаз газорозподілу, хоча ще близько 20 років тому масово доступний чотиритактний двигун даної системи не мав. У звичайному двигуні клапани відкриваються завдяки впливу на них кулачків розподільного валу. Форма профілю кулачка розподільного вала визначає момент і тривалість відкриття клапана.
Рекомендуємо також прочитати статтю про систему рециркуляції відпрацьованих газів ЄДР. З цієї статті ви дізнаєтеся про те, що таке EGR, призначення і принципи роботи даної системи.
Зазначені параметри складають так звану ширину фази газорозподілу. Додатковим параметром також є величина ходу клапана (висота його підйому). Варто враховувати, що паливно-повітряна суміш і відпрацьовані гази під впуску, в циліндрі ДВЗ і на випуску поводяться не однаково, що залежить від різних режимів його роботи. Швидкість течії динамічно змінюється, з’являються коливання газових середовищ, які призводять до резонансів або застою. Все це впливає на ефективність наповнення циліндрів і їх продувки на різних режимах роботи силового агрегату.
Фіксовані фази газорозподілу змушують конструкторів ДВС проектувати мотор так, щоб була впевнена тяга в діапазоні низьких і середніх оборотів, але при цьому залишався запас потужності для підтримки набраної швидкості і подальшого прискорення автомобіля при виході ДВС на режими близько зони максимальних обертів. Додатково необхідно забезпечити стійку роботу силового агрегату на холостому ходу, еластичність на перехідних режимах, а також економічність і екологічність силової установки. Якщо фази газорозподілу фіксовані, то поліпшення одних параметрів закономірно спричинить погіршення інших. Для вирішення цієї задачі була розроблена система зміни фаз газорозподілу, яка гнучко і динамічно змінює основні параметри роботи ГРМ залежно від того режиму, в якому працює двигун в певний момент.
Система зміни фаз газорозподілу VVT (англ. Variable Valve Timing) створена для динамічної коригування робочих параметрів механізму газорозподілу. Дане управління здійснюється з урахуванням різних режимів роботи силового агрегату. Використання зазначеної системи регулювання фаз газорозподілу дозволяє добитися підвищення потужності мотора і моментної характеристики. Система VVT забезпечує економію пального, а також знижує токсичність вихлопних газів в процесі роботи двигуна.
Система зміни фаз газорозподілу впливає на основні параметри роботи газорозподільного механізму. До таких параметрів відносять моменти відкриття і закриття впускних і випускних клапанів, тривалість часу відкриття клапана і висоту його підйому. Зазначені параметри являють собою в підсумку фази газорозподілу, так як від них залежить тривалість такту впуску і випуску, що виражається тим кутом, на який повернутий колінчастий вал двигуна по відношенню до мертвих точках (ВМТ і НМТ) під час руху поршня в циліндрі. Форма кулачка розподільного валу визначає фази газорозподілу, так як зазначений кулачок надає прямий вплив на впускний або випускний клапан ГРМ.
Для чого необхідна система зміни фаз газорозподілу
Для досягнення найбільшої ефективності стосовно до динамічно мінливих режимам роботи ДВС необхідна різна величина фаз газорозподілу. В режимі холостого ходу найбільш раціональними стають «вузькі» фази газорозподілу, під якими розуміється пізніше відкриття і раніше закриття клапанів. При цьому виключається перекриття фаз, під яким розуміється час одночасного відкриття впускного і випускного клапана. Це необхідно для того, щоб виключити потрапляння вихлопних газів у впуск і викид паливно-повітряної суміші в випускний колектор.
Вихід двигуна на режим максимальної потужності означає підвищення оборотів, так як распредвал крутиться швидше і час відкриття клапанів скорочується. Для того, щоб не втрачалася потужність і крутний момент на високих обертах зберігався, двигун має надходити набагато більше паливно-повітряної суміші, а випуск відпрацьованих газів повинен бути реалізований максимально ефективно. Завдання вирішується шляхом раннього відкриття клапанів і збільшення часу їх відкриття, роблячи фазу «широкої». Фаза перекриття також розширюється до максимуму з ростом оборотів, що необхідно для якісної продувки циліндрів.
Якщо двигун працює на низьких оборотах, потрібні максимально короткі фази газорозподілу. Це означає, що час відкривання клапанів повинно бути мінімальним за тривалістю, забезпечуючи так звані «вузькі» фази. Високі обороти двигуна вимагають повної протилежності у вигляді «широких» фаз газорозподілу. Час відкриття клапана має бути збільшено до максимуму, паралельно забезпечуючи такти впуску і випуску, а також ефективне перекриття.
Сам кулачок розподільного вала має форму, яка здатна забезпечити реалізацію вузькою, так і широкої фази. Проблема полягає в тому, що фіксована форма кулачка не дозволяє одночасно досягти вузьких і широких фаз газорозподілу. Виходить, форма кулачка підібрана з розрахунком на можливий оптимальний баланс між високим показником крутного моменту на низьких оборотах ДВС і максимальною потужністю агрегату в режимі високої частоти обертання колінчастого вала. Система зміни фаз газорозподілу дозволяє більш гнучко змінювати ці параметри, буквально «підлаштовуючи» ГРМ під конкретний режим роботи двигуна для досягнення кращої віддачі від двигуна і паливної економічності.
Системи зміни фаз газорозподілу представлені декількома видами. Головні відмінності полягають у тих і чи інших параметрах регулювання ГРМ в процесі його роботи. Сьогодні використовуються наступні рішення для управління фазами газорозподілу:
- система повороту розподільного валу;
- кулачки розподільного вала з різним профілем;
- система зміни висоти підйому клапанів;
Система на основі гидроуправляемой муфти
Широке поширення отримали системи зміни фаз газорозподілу, принцип роботи яких заснований на здійсненні повороту распредвала. До таких схем управління фазами газорозподілу відносять: японську систему VVT-i, Dual VVT-i, рішення німецького концерну BMW під назвою VANOS, Double VANOS, схему VVT від Volkswagen, управління фазами газорозподілу VTEC від Honda, систему CVVT брендів Hyundai, Kia і концерну GM, регулювання фаз VCP від Renault і т. д.
Робота зазначених вище систем ґрунтується на невеликому повороті розподільного вала по ходу його обертання. Такий спосіб дозволяє добитися раннього відкриття клапанів порівняно з їх базовим початковим положенням. Даний тип систем зміни фаз газорозподілу конструктивно складається із спеціальної муфти, яка управляється гідравлічним способом, а також додаткової системи управління зазначеної муфтою. Гидроуправляемая муфта серед автомеханіків отримала назву фазер.
Поворот розподільного вала здійснюється за допомогою електроніки управління і гідравліки, а сама система найчастіше зачіпає тільки впускні клапани. Зростання обертів ДВЗ призводить до того, що фазер здійснює проворот распредвала по ходу його обертання, впускні клапани відкриваються раніше і циліндри набагато більш ефективно наповнюються робочою сумішшю в режимі високих оборотів.
Виходить, гидроуправляемая муфта реалізує поворот распредвала ГРМ. Дана муфта конструктивно включає в себе:
- ротор, який з’єднаний з розподільчим;
- корпус, яким виступає шків привода розподільного вала;
У певні порожнини, які розташовані між ротором і корпусом-шківом, потрапляє моторне масло із системи змащення ДВС. Масло в муфту подається по особливих каналах. Коли моторне масло заповнює одну або іншу порожнину муфти, здійснюється поворот ротора по відношенню до корпусу. Цей поворот ротора означає, що і розподільний вал буде повернений на необхідний кут.
Найчастіше місцем установки гидроуправляемой муфти стає привід того розподільного валу, який відповідає за роботу впускних клапанів. Зустрічаються також конструкції ДВЗ, коли подібні муфти-фазообертачі стоять як на впускному распредвале, так і на випускному. Дане рішення дозволяє ширше і ефективніше регулювати параметри роботи ГРМ на впуску і випуску, але ускладнює механізм.
Електронне управління автоматично регулює роботу гидроуправляемой муфти. Система такого управління включає в себе:
- групу вхідних датчиків;
- електронний блок управління;
- список виконавчих пристроїв;
Система управління отримує свідчення від датчика Холла, який здійснює оцінку стану розподільних валів. Додатково задіяні і інші датчики, які використовуються ЕБУ для управління роботою всього двигуна.
До таких відносять датчик, що вимірює частоту обертання коленвала, температурний датчик охолоджуючої рідини (ОЖ), датчик витрати повітря та інші. Сигнали від цих датчиків подаються в ЕБУ, який після надсилає відповідний сигнал на спеціальне керуючий (виконавче) пристрій.
Таким устроєм, на яке впливає електронний блок управління двигуном, є електромагнітний клапан (електрогідравлічний розподільник). Клапан являє собою розподільник, який при необхідності відкриває доступ потоку моторного масла до гидроуправляемой муфті, а також реалізує відведення масла від фазообертача. Це залежить від того, в якому режимі працює силовий агрегат.
Дана схема зміни фаз газорозподілу з використанням муфти задіюється в момент роботи двигуна на холостому ходу, (мотор працює на низьких обертах), в режимі максимальної потужності на високих оборотах, а також у тому режимі, коли здійснений вихід ДВС на максимум крутного моменту.
Система ступеневої зміни фаз газорозподілу
Еволюція систем зміни фаз газорозподілу дозволила інженерам не тільки здійснювати зсув фаз, але і ефективно виконувати їх розширення і звуження. Наступним типом систем зміни фаз газорозподілу є рішення, засновані на використанні кулачків розподільного вала різної форми. Завдяки такому способу вдається досягти ступеневої зміни моменту часу, на який відкривається клапан, а також змінити саму висоту підйому клапанів. У списку таких систем знаходиться VVTL-i від автогіганта Toyotа, японської Honda VTEC і MIVEC від Mitsubishi, рішення від під назвою Audi Valvelift System та інші.
Зазначені системи схожі один на одного як конструктивно, так і за принципом дії. Трохи відрізняється тільки німецька Valvelift System. Найбільшу популярність отримала системаVVTL-i, VTEC і MIVEC. В основі таких систем зміни фаз газорозподілу знаходяться кулачки з різним профілем, а також система управління. Розподільний вал в таких системах управління фазами газорозподілу виконаний так, що має відразу два кулачка малого розміру, а також один кулачок більшого розміру. Менші кулачки за допомогою спеціального рокера (коромисла) з’єднуються з впускними клапанами. Великий кулачок відповідає за переміщення одного незадіяного коромисла.
Така система зміни фаз газорозподілу дозволяє перемикатися з малих кулачків на великий залежно від режиму роботи ДВЗ. Перехід між режимами досягається завдяки тому, що відбувається спрацьовування спеціального механізму блокування. Зазначений блокуючий механізм заснований на гідравлічному приводі.
Коли мотор працює на низьких оборотах і при незначному навантаженні, впускні клапани приводяться в дію малими кулачками розподільного валу, фази газорозподілу в такому режимі мають невелику тривалість (вузька фаза).
Якщо двигун розкручується до певних обертів, система управління активує механізм блокування. В результаті відбувається з’єднання коромисел малих і великого кулачків, що забезпечує жорсткість конструкції. З’єднання відбувається за допомогою особливого стопорного штифта, а зусилля на впускні клапани починає надходити від єдиного великого кулачка. Малі кулачки розподільного вала на високих обертах двигуна стають неактивними.
Існуючі різновиди систем VTEC можуть мати відразу три режими регулювання ГРМ. У даній модифікації на низьких обертах ДВЗ працює один малий кулачок розподільного вала, який здійснює відкриття тільки одного впускного клапана. Два маленьких кулачка задіюються в режимі середніх навантажень і обертів двигуна, забезпечуючи відкриття двох впускних клапанів. Великий кулачок вступає в дію при виході силової установки на режим обертів, наближених до максимальних.
Система зміни фаз газорозподілу I-VTEC, яка представлена виробником Honda, об’єднала в собі головні переваги рішень як VTC, так і VTEC. Регулювання за трьома ступенями забезпечує істотну економію палива. При низькій частоті обертання половина впускних клапанів практично не має активності. Збільшення частоти обертання до рівня середніх оборотів підключає дезактивовані клапани, а висота їх підйому не передбачає повного відкриття.
Вихід на режим максимальних обертів змушує впускні клапани працювати від центрального кулачка великого розміру. Зазначений кулачок має особливий профіль, який спеціально підібраний для досягнення максимального підйому клапанів, що означає підвищення віддачі від ДВЗ на максимальних режимах роботи агрегату. Такий підхід значно розширив можливості керування параметрами ГРМ для ефективного регулювання роботи двигуна на різних режимах.
Якщо розглянути приклад з системою VVTL-i від Toyota, то після виходу мотора з таким рішенням обороти близько 6000 об/хв стандартний кулачок розподільного вала виключається з роботи і заміщається кулачком зі зміненим профілем. Зазначений кулачек забезпечує дугою алгоритм роботи клапана, зрушує (розширює) фазу і збільшує висоту його підйому. На практиці це означатиме, що при виході двигуна на режим високих обертів у двигуна з’явиться різкий приріст тяги, необхідний для забезпечення подальшого впевненого розгону.
Схема роботи системи VVTL-i будується на наступному алгоритмі. Час відкриття та висота підйому впускних клапанів регулюється аналогічно іншим рішенням. Коли мотор працює в режимі обертання до 6000 об/хв, тоді вплив на клапан здійснює менший кулачок розподільного вала, який надає натискання на рокер і таким чином відкриває клапана. Після набору обертів вище заданої відмітки керувати відкриттям клапанів починає високий кулачок з особливим профілем. Для його активації спеціальний сухар під тиском масла переміщається.
За своєчасну подачу моторного масла за спеціальною магістралі точно в необхідний момент відповідає система управління. Тиск масла і переміщення сухаря дозволяє кулачку розподільного вала через спеціальний шток, який до цього перебував у вільному положенні, почати впливати на клапан за допомогою коромисла.
Система регулювання висоти підйому клапана
Подальший розвиток систем зміни фаз газорозподілу призвело до появи складних рішень, які засновані на управлінні висотою підйому клапанів. Новатором в цій області стала компанія BMW представила систему під назвою Valvetronic на своїх моторах в 2001 році.
Регулювання висоти підйому клапана додатково дозволило виключити зі схеми дросельну заслінку стосовно до основних режимів роботи ДВС. Наявність заслінки помітно знижує ефективність наповнення циліндрів паливно-повітряною сумішшю в режимі низьких і середніх оборотів. Причина криється в тому, що у впускному колекторі (в області дроселя) в процесі роботи ДВС виникає розрідження. Паливно-повітряна суміш у таких умовах розрідження стає інертною, циліндри наповнюються менш ефективно, реакція на натискання педалі газу втрачає гостроту і стає сповільненою.
Кращим рішенням цієї проблеми стає механічне відкриття впускного клапана на такий момент часу, який необхідний для ефективного наповнення циліндра робочої паливно-повітряної горючою сумішшю. Тривалість фази впуску (впускний фази) в системах регулювання висоти підйому клапана змінюється залежно від того, як сильно була натиснута педаль газу. Система бездроссельного управління дозволяє помітно економити паливо (до 15% порівняно з іншими рішеннями), а також підвищує мощностную характеристику на 10 % і більше.
Конструктивно ГРМ в таких системах здатний керувати роботою силової установки на різних режимах. На схожому принципі ґрунтуються також рішення Valvematic від Toyota, рішення VEL компанії Nissan, VTI від Peugeot та інші. Що стосується системи зміни висоти підйому клапанів Valvetronic, можливість керування цим параметром реалізована завдяки спеціальній кінематичній схемі. Рішення Valvetronic ставиться на впускні клапани. Традиційна конструкція, яка включає в себе кулачок розподільного вала, рокер (коромисло) і клапан, отримала розвиток у вигляді установки додаткових елементів.
Система має ексцентриковий вал, а також проміжний важіль. Зазначений ексцентриковий вал починає обертатися за допомогою зусилля, яке створює електродвигун за допомогою черв’ячної передачі.
Таке обертання ексцентрикового вала впливає на проміжний важіль, внаслідок чого змінюється його положення (відбувається зміщення точки опори). Зміна становища змушує коромисло рухатися так, щоб перемістити (відкрити) клапан точно на необхідну величину.
Система зміни висоти підйому клапана працює постійно, а висота підйому клапанів безпосередньо залежить від того чи іншого режиму роботи силового агрегату. Клапани можуть підніматися в межах від 0,2 до 12 мм. Система VEL від компанії Ніссан забезпечує висоту підйому клапана в межах від 0,5 до 2 мм
Електромагнітний привід клапана
Сьогодні конструктори ДВС практично повністю використовують потенціал ГРМ. Проектується максимально можлива кількість клапанів на циліндр, а самі розміри клапана досягли своєї межі. Але еволюція двигуна на даному етапі триває. Поліпшити наповнюваність і продування циліндрів двигуна можна також за рахунок швидкості, з якою можливо реалізувати відкриття і закриття клапанів. Мова йде про ГРМ, в якому клапана мають електромагнітний (електромеханічний) привід, який замінює механічний з електронним управлінням. Більш того, розподільчий вал в такому ГРМ повністю відсутня.
Електромагнітний привід ГРМ отримав назву EVA (англ. Electromagnetic Valve Actuator) і дозволяє змінювати фази газорозподілу максимально широко. Система з електромагнітним приводом може відкривати тільки потрібні клапана (що аналогічно керованого відключення циліндрів), причому робити це в точно певний момент залежно від режиму роботи ДВЗ. Рішення здатне економити паливо на холостому ходу, в момент гальмування двигуном і т. п. Кількість потрапляє в циліндр двигуна повітря регулюється часом відкриття впускного клапана.
Сама довжина ходу клапана не є регульованим параметром. Клапан кріпиться за рахунок пружини, а також має якір. Такий якір електромагнітного клапана розміщений між двома електромагнітами певної потужності. Завданням таких електромагнітів стає утримання клапана в тому чи іншому крайньому положенні.
Точність положення, в якому необхідно здійснити фіксацію клапана, визначається призначеним для цього окремим датчиком. Зниження руйнівних навантажень на електромагнітний ГРМ у момент наближення клапана до його крайній точці (особливо в момент посадки клапана в сідло) здійснюється завдяки «гальмування» клапана.