Фазорегулятор, фазовращатель или "фазер" - это устройство в современных двигателях позволяющее изменять коэффициент наполнения цилиндров за счет изменения перекрытия клапанов. Благодаря регулируемым фазам газораспределения можно влиять как на количество свежего заряда, так и на долю остаточных отработавших газов. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала и от степени открытия дроссельной заслонки поведение поступающего в цилиндр заряда и выход из него отработавших газов сильно меняются. При установке постоянных фаз газораспределения газообмен возможно оптимизировать лишь для определенного диапазона частот вращения. Регулируемые фазы газораспределения позволяют вносить корректировки с учетом изменения частоты вращения коленчатого вала и различного наполнения цилиндров рабочей смесью.

Все это в результате дает следующие преимущества: Увеличение выходной мощности двигателя; Получение благоприятной характеристики изменения крутящего момента в широком диапазоне оборотов коленчатого вала; Снижение содержания вредных веществ в отработавших газах; Уменьшение расхода топлива; Снижение шумности работы двигателя. В обычном двигателе коленчатый и распределительный валы связаны друг с другом механически (посредством зубчатого ремня, шестерен или цепи). В двигателях с регулированием фаз газораспределения с помощью поворота распределительного вала можно добиться его «рассогласования» с положением коленчатого вала, благодаря чему изменится перекрытие клапанов. Поворот распределительного вала осуществляется посредством электрического или электрогидравлического привода. Простые устройства могут устанавливать вал только в одном из двух положений. Более сложные устройства позволяют в пределах определенного диапазона плавно поворачивать распределительный вал относительно коленчатого. В современных быстроходных двигателях открытие впускного клапана происходит в среднем за 10-35° до прихода поршня в в.м.т., а закрытие - через 40-85° после н.м.т. Выпускной клапан закрывается через 10-30° после прохода в.м.т. Однако указанные средние пределы открытия и закрытия клапанов по конструктивным соображениям могут быть изменены как в большую, так и в меньшую сторону. Для получения максимальной мощности необходимо обеспечить максимально возможные значения углов опережения открытия и запаздывания закрытия впускных клапанов. На высоких оборотах двигателя наполнение цилиндра происходит благодаря инерции газового потока при еще открытом впускном клапане во время подъема поршня. Наоборот, на низких оборотах двигателя большое значение запаздывания закрытия впускного клапана вызывает частичное вытеснение из цилиндра заполнившей его свежей рабочей смеси, что приводит к значительному уменьшению крутящего момента двигателя. Рассмотрим устройство и принцип действия фазорегулятора на примере двигателя ВАЗ 21179.

Двигатель ВАЗ 21179 оборудован одним фазорегулятором, установленным в зубчатом шкиве впускного распределительного вала.

Шкив состоит из двух частей: крыльчатки с лопатками, закрепленной на распределительном валу и цилиндра с камерами, закрепленного на зубчатом шкиве распределительного вала. При определенных условиях электронный блок управления (ЭБУ) выдает управляющую команду на электромагнитный клапан. Открытый клапан обеспечивает подачу масла под давлением по центральному каналу распределительного вала. Масло поступает через центральное отверстие крыльчатки и отверстие для подъема плунжера. Под воздействием давления масла плунжер смещается вверх и освобождает крыльчатку, в результате чего под действием давления масла лопатки крыльчатки и, соответственно, фазорегулятор поворачиваются в направлении максимального запаздывания закрытия впускных клапанов. При снятии управляющего напряжения на электромагнитном клапане лопатки крыльчатки возвращаются в исходное положение под действием вращения двигателя, после чего плунжер блокирует всю систему в положении минимального запаздывания впускных клапанов.

Электромагнитные управляющие клапаны обеспечивают подачу масла под давлением к фазорегуляторам распределительного вала. При прекращении подачи управляющего напряжения на электромагнитные клапаны от ЭБУ фазорегуляторы возвращают распределительные валы в положение минимального запаздывания впускных клапанов, обеспечивая тем самым получение максимального крутящего момента на малых оборотах. На автомобилях с двигателем ваз-21179 фазорегулятор распределительного вала действует при соблюдении следующих условий: ✔ Частота вращения коленчатого вала двигателя выше 1500 об/мин. ✔ Давление во впускном трубопроводе выше 500 мбар. ✔ Температура охлаждающей жидкости выше 30°C. Управление фазами перекрытия клапанов осуществляется ЭБУ на основе сигналов датчиков положения коленчатого и распределительного валов, температуры охлаждающей жидкости и скорости автомобиля. При этом диапазон регулирования угла поворота распределительного вала в режиме холостого хода составляет 0-5, а в режиме резкого увеличения оборотов 0-30. При этом отношение включенного состояния клапана фазорегулятора составляет 0-2% и 0-60% соответственно. Зная принцип действия и диапазон регулирования, можно диагностировать клапаны фазорегулятора по нескольким параметрам. Для этого необходимо иметь сканер, осциллограф и измеритель разрежения. Отметим, что ЭБУ двигателем не всегда выдает ошибку при неисправности или подклинивании клапана фазорегулятора. При заклинивании управляющего электромагнитного клапана в открытом положении или фазорегулятора в положении максимального опережения открытия впускных клапанов, двигатель неустойчиво работает на холостом ходу, давление во впускном трубопроводе чрезмерно высокое (выше 360 мбар). На осциллограмме представлены зависимости угла поворота распределительного вала от рабочего цикла клапана фазорегулятора отчетливо видно, как от подклинивающего плунжера клапана дестабилизируется угол поворота распределительного вала. Отсюда неустойчивая работа двигателя на холостом ходу и в режиме переменных нагрузок (2000-2500 мин-1). В некоторых случаях при полностью заклинившем клапане двигатель вообще не работает на холостом ходу. Практика показывает, что заклинивание клапана чаще всего вызвано наличием загрязнений в системе смазки двигателя. Это весьма характерно для российских условий, поскольку дороги у нас традиционно грязнее европейских. Для безотказной эксплуатации двигателей, оснащенных системами фазорегуляции, можно рекомендовать сокращение пробега до замены масла.

"ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ"

«МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ»

Система регулирования фаз газораспределения посредством поворота распределительного вала.
(на примере двигателей R5, V6, W8 и W12 концерна Volkswagen)

Одним из способов приведения рабочих характеристик двигателя к оптимальным на различных режимах работы (на холостом ходе, режиме максимальной мощности и максимального крутящего момента), является автоматическое (в зависимости от частоты вращения КВ, и степени открытия дроссельной заслонки) изменение фаз газораспределения.
У разных автопроизводителей системы регулирования могут конструктивно отличаться.
На рядных пятицилиндровых двигателях, двухрядных шестицилиндрованных двигателях, а также на трёхрядных W - образных двигателях W8 и W12 фирмы Volkswagen регулирование осуществляется за счет поворота впускного и выпускного распределительных валов по фазе в зависимости от текущей нагрузки. Поворот валов обеспечивают гидроуправляемые муфты, работающие по команде ЭБУ (электронного блока управления) системы управления двигателем.

Фазы газораспределения каждого конкретного двигателя подбираются в соответствии с его конструкцией. Общие положения фаз для основных режимов работы указанных двигателей сформулированы ниже и показаны на рисунке phase_one , позиция I.
На режиме холостого хода количество остаточных газов в топливовоздушной смеси должно быть минимальным для обеспечения устойчивой работы двигателя .
Распределительный вал, управляющий впускными клапанами должен поворачиваться таким образом, чтобы обеспечить достаточно позднее открытие и позднее закрытие впускных клапанов. Выпускной вал должен поворачивается так, чтобы выпускной клапан закрывался «рано» т.е., задолго до прихода поршня в ВМТ.
В режиме максимальной мощности при полностью (или, почти полностью) открытой дроссельной заслонке и высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя, для достижения наибольших мощностных характеристик, необходимо обеспечить высокое давление газов на поршень и большую продолжительность такта рабочего хода (продолжительность давления газов на поршень) .
Распределительные валы поворачиваются таким образом, чтобы выпускной клапан открывался с относительной задержкой, а впускной клапан открывался с относительным запаздыванием после ВМТ и закрывался с относительным запаздыванием после НМТ.
Для получения высокого крутящего момента необходимо обеспечить максимально возможное наполнение цилиндров топливовоздушной смесью (наибольший коэффициент наполнения) . При сгорании бo льшего количества смеси на поршень действует бo льшее давление газов и крутящий момент увеличивается.
Распределительные валы необходимо повернуть таким образом, чтобы впускные клапаны раньше открывались и раньше закрывались, а выпускные клапаны закрывались с небольшим опережением до ВМТ.
Рециркуляция отработавших газов осуществляется с целью снижения выбросов в атмосферу окислов азота. Следует различать внутреннюю и внешнюю рециркуляцию. Посредством регулирования фазами газораспределения управляют внутренней рециркуляцией, которая осуществляется за счёт поступления части отработавших газов из цилиндра двигателя во впускные каналы при такте выпуска в период перекрытия клапанов (т.е., в период одновременного открытия впускного и выпускного клапанов). При этом количество рециркулируемых газов зависит, главным образом, от продолжительности перекрытия фаз. Перекрытие фаз достигается при открытии впускных клапанов задолго до ВМТ и закрытии выпускных клапанов непосредственно перед ВМТ.

Внешняя рециркуляция подразумевает принудительный возврат части отработавших газов из выпускного коллектора во впускной коллектор. Отбор и перераспределение газов осуществляется системой рециркуляции. Отработавшие газы, поступившие во впускной трубопровод, участвуют в процессе смесеобразования и попадают в цилиндры двигателя в составе топливовоздушной смеси.

К преимуществам внутренней рециркуляции относятся ускоренная реакция системы и лучшее распределение рециркулируемых газов по цилиндрам.

Система регулирования фаз газораспределения показана на рисунке phase_one , позиция - II и имеет следующие компоненты:гидроуправляемую поворотную муфту, корпус механизма газораспределения, электрогидравлический распределитель.
Гидроуправляемая поворотная муфта устанавливается непосредственно на распределительный вал (впускной и выпускной) двигателя и, по сигналу с электронного блока управления, поворачивает его (вал) на определённый угол.
Муфта является гидравлическим устройством, подключённым через корпус механизма газораспределения и электрогидравлический распределитель к системе смазки двигателя.
Муфта (см. рисунок phase_two , позиция – I) состоит из корпуса, выполненного заодно со звёздочкой цепного привода распределительного (впускного или выпускного) вала, и ротора, помещённого внутрь корпуса муфты и жёстко закреплённого на переднем конце вала. Ротор муфты имеет лопасти, которые размещаются в пазах корпуса муфты (статора). Пазы формируют масляные камеры.
В зависимости от положения клапана электрогидравлического распределителя масло в масляную камеру может поступать с той или другой стороны лопасти статора.
Корпус механизма газораспределения установлен на головке цилиндров двигателя. Внутри корпуса выполнены каналы для подвода масла к деталям системы.
Электрогидравлические распределители размещаются на корпусе механизма газораспределения и служат для подвода масла из системы смазки двигателя к муфтам распределительных валов.

Управление системой изменения фаз газораспределения осуществляется электронным блоком управления двигателя. Общая схема системы управления показана на рисунке phase_three .
Блок управления получает и обрабатывает сигналы датчиков о частоте вращения и мгновенном положении валов двигателя, нагрузке двигателя и его температуре. Моментальное положение распределительных валов определяется ЭБУ по сигналам с датчиков Холла. После сравнения данных о текущем положении вала с многопараметровыми характеристиками, записанными в памяти ЭБУ, блоком управления выдается команда (управляющий сигнал) исполнительному механизму (электрогидравлическому клапану) на изменение текущего положения. В соответствии с этой командой производится перемещение золотникового клапана электрогидравлического распределителя. При этом распределитель соединяет масляные камеры корпуса муфты с одним из каналов – нагнетательным или сливным. Нагнетательный канал находится под давлением системы смазки двигателя. Сливной канал является частью контура слива системы смазки.
Подаваемое по нагнетательному каналу масло поступает в масляные камеры гидроуправляемой муфты и, воздействуя на лопатки ротора муфты, вызывает поворот распределительного вала в требуемом направлении (например, раннего открытия).
Объём масляной камеры по другую сторону лопастей ротора автоматически соединяется со сливной магистралью.
Когда распределительный вал повернётся на требуемый угол, золотник распределителя фиксируется в положении, при котором по обе стороны каждой из лопастей ротора муфты будет поддерживаться одинаковое давление масла.
Если требуется поворот распределительного вала в обратную сторону (более позднего открытия клапанов), процесс регулирования производится с подачей масла в обратном направлении.

Регулирование обеспечивает плавное изменение угла установки впускного распределительного вала в диапазоне 52° по углу поворота кривошипа КВ и выпускного вала – до 22°.

Управление впускным распределительным валом.

I. Установка распределительного вала в положение "ранних" фаз газораспределения .

Для обеспечения внутренней рециркуляции отработавших газов и для повышения крутящего момента двигателя впускные клапаны должны открываться до прихода поршня в ВМТ в конце такта выпуска. Блок управления двигателем подает управляющий импульс на электрогидравлический распределитель золотник которого перемещается и открывает расположенный в корпусе механизма газораспределения масляный канал. Масло из системы смазки двигателя поступает под давлением в кольцевую проточку на распределительном вале. Далее оно подается через 5 торцевых отверстий в 5 камер гидроуправляемой поворотной муфты. Поворот распределительного вала осуществляется под давлением масла, действующего на лопасти соединенного с ним ротора муфты. Так как распределительный вал поворачивается в направлении вращения коленчатого вала двигателя, впускные клапаны открываются раньше .
phase_two , позиция – II.
При выходе системы регулирования фаз газораспределения из строя,
гидроуправляемая муфта возвращается под давлением масла в исходное положение, при котором впускные клапаны открываются через 25° после ВМТ.

II. Перестановка распреределительного вала в положение "поздних" фаз газораспределения .

При работе двигателя на режиме холостого хода, а также при работе в режиме максимальной мощности впускной распределительный вал поворачивается в сторону "поздних" фаз, обеспечивая открытие впускных клапанов после ВМТ. Для переустановки вала блок управления двигателем подает на электрогидравлический распределитель управляющий сигнал. Золотник распределителя перемещается и открывает масляный канал в корпусе газораспределительного механизма, через который масло подается в кольцевую проточку на распределительном вале и далее: в отверстия в распределительном вале – в одностороннее отверстие в болте крепления гидроуправляемой муфты – в пять отверстий, выполненных в роторе – в полости лопастных камер. Под давлением масла, действующего на лопасти ротора муфты, ротор и соединенный с ним распределительный вал поворачиваются против направления вращения коленчатого вала, что приводит к более позднему открытию клапанов.
Одновременно с открытием канала, обеспечивающего поступление масла к ротору для поворота распределительного вала в сторону "поздних" фаз газораспределения, электрогидравлический распределитель открывает также канал для слива масла из полостей муфты, используемых для поворота распределительного вала в сторону «опережения».
Работу системы поясняет рисунок phase_two , позиция – III.

Управление выпускным распределительным валом.

В противоположность впускному валу выпускной распределительный вал может быть
установлен только в двух положениях: 1) в исходном положении и 2) в положении, соответствующем оборотам холостого хода двигателя.
Конструкция гидроуправляемой поворотной муфты выпускного вала аналогична конструкции муфты впускного вала, но имеет более широкие лопасти в силу того, что вал должен поворачиваться на меньший угол (максимум на 22° по коленчатому валу).
Принцип действия системы регулирования аналогичен описанному выше для впускного вала и поясняется рисунками phase_one и phase_two .

I. Установка распределительного вала в «исходное» положение.

Выпускной распределительный вал находится в «исходном» положении при пуске двигателя и работе двигателя на режимах, когда мощность и крутящий момент близки к максимальному значению, а также на режимах, когда необходимо увеличение рециркуляции отработавших газов.
При нахождении вала в «исходном» положении выпускные клапаны закрываются незадолго до прихода поршня в ВМТ.
Для установки вала в исходное положение электрогидравлический распределитель обесточивается ЭБУ. При этом золотниковый клапан распределителя также занимает «исходное» положение и открывает масляный канал, через который моторное масло подается в камеры гидроуправляемой муфты и, воздействуя на лопасти ротора, поворачивает распределительный вал в сторону запаздывания до упора (т.е. в крайнее – «исходное» положение).

II. Переустановка распределительного вала в положение «холостой ход».

На режимах холостого хода и при частотах вращения коленчатого вала двигателя не превышающих 1200 об/мин выпускной вал поворачивается по ходу вращения КВ в сторону "ранних" фаз газораспределения.
Для установки вала на режим холостого хода ЭБУ подаетуправляющий сигнал на электрогидравлическийраспределитель. Золотниковый клапан распределителяперемещается в положение, при которомоткрывается масляный канал, через который моторноемасло под давлением поступает в кольцевуюканавку распределительного вала и далеечерез сверления в нем – в камеры муфты. Из объёма, находящегося с противоположной стороны лопастей, масло сливается через сверление в болте крепления, кольцевую проточку на вале золотника распределителя и далее в полость под крышкой привода механизма газораспределения. Поддавлением масла, действующего на лопасти ротора, ротор вместе с выпускным валом поворачиваются в направлении вращения, что приводит к более раннему открытию и закрытию выпускных клапанов.

Выбор фаз газораспределения - один из инженерных компромиссов. Для того, чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо обеспечить существенное перекрытие клапанов в районе ВМТ , потому что мощность в наибольшей степени зависит от максимально возможного количества горючей смеси, попадающей в цилиндр за короткое время, но чем выше частота вращения коленчатого вала, тем меньше отводимое на это время. С другой стороны, при малых оборотах, когда не требуется максимальная мощность, лучше, когда угол перекрытия близок к нулю. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более чутко реагировать на изменение положения педали «газа», что очень важно при движении автомобиля в транспортном потоке.

Рис. Схема работы механизма изменения фаз газораспределения: α° - диапазон изменения фаз газораспределения

В начале 1990-х гг. появились двигатели с автоматическими устройствами для изменения фаз газораспределения. Обычно в приводном шкиве (или звездочке) распределительного вала впускных клапанов размещается специальное устройство, которое имеет гидравлический привод от смазочной системы двигателя и может поворачивать распределительный вал относительно приводной звездочки (шкива) и, следовательно, относительно коленчатого вала .

При этом впускные клапаны могли открываться и закрываться раньше или позже. Изменение фаз открытия и закрытия впускных клапанов оказывает больший эффект, чем изменение аналогичных фаз выпускных клапанов. Первые устройства обеспечивали простое переключение в два положения, обеспечивая один угол перекрытия для малых оборотов двигателя, а другой - для высоких оборотов и нагрузки. Этого было достаточно для того, чтобы обеспечить хороший пуск, достаточный крутящий момент при сравнительно малых оборотах и нагрузках двигателя и возможность достижения большой мощности при высоких оборотах. Постепенно были разработаны устройства, которые могли изменять фазы газораспределения во всем диапазоне оборотов двигателя, а некоторые производители начали изменять фазы открытия-закрытия выпускных клапанов, в основном для того, чтобы снизить выбросы вредных веществ. Сегодня изменяемые фазы газораспределения VIVT (Variable Inlet Valve Timing) стали общепринятыми и появился целый ряд двигателей, оборудованных системой изменения фаз газораспределения во всем диапазоне.
В некоторых ГРМ имеется возможность отключать один из впускных клапанов в каждом цилиндре. Такое устройство используется компанией Honda в высокофорсированном двигателе CVT. Здесь не обеспечивается полное отключение клапана, а происходит его открытие на небольшую величину в целях исключения возможности его прихвата к седлу.

Альтернативной разработкой, впервые использовавшейся фирмой Toyota, а сейчас широко применяемой в двигателях с двумя впускными клапанами на цилиндр, стало простое закрытие одного из впускных патрубков с помощью автоматически управляемой заслонки. Обычно два впускных патрубка имеют разную форму: один, который всегда остается открытым, имеет форму, которая обеспечивает турбулизацию горючей смеси в камере сгорания, чтобы создать хорошо перемешанный поток, необходимый работе двигателя на малых оборотах, и другой, короткий прямой патрубок, открывающийся при высоких оборотах и нагрузке обеспечивает максимально возможное наполнение цилиндров. Двигатели, имеющие устройства такого типа, получили название двигателей с изменяемой длиной впускных трубопроводов . Более сложные системы могут постоянно и плавно изменять длину впускных трубопроводов.

Перспективными конструкциями ГРМ являются механизмы без распределительного вала, в которых клапаны управляются индивидуальными устройствами с помощью электромагнитных соленоидов . Использование такой техники дает возможность индивидуального контроля за работой каждого клапана. При этом можно не только оптимально управлять временем открытия каждого клапана и обеспечивать получение максимальных мощности или крутящего момента, но и отключать некоторые цилиндры полностью или переводить их на малую нагрузку для более эффективной работы остальных цилиндров. Можно переводить двигатель в режим компрессора, разгружая, таким образом, тормоза, и, возможно, запасая часть энергии при спуске с возвышенности (рекуперация). Но главное преимущество этой системы заключается в том, что время и степень открытия клапанов в любой момент времени могут быть оптимальными для работы двигателя при данных условиях движения.
Сегодня уже созданы такие экспериментальные системы с хорошей эффективностью действия (уменьшено потребление топлива до 20 %). Кроме того, конструкция самого двигателя может быть упрощена, потому что обычный привод - цепи, зубчатые ремни, механизм натяжения, шестерни и кулачковые валы - становятся ненужными.
Препятствием на пути к широкому применению таких «бескулачковых» клапанных механизмов является большое потребление электроэнергии и большие габариты при водных устройств, получаемые при существующем 12-вольтовом электрооборудовании. Эти проблемы значительно уменьшаются в случае повышения рабочего напряжения на борту в несколько раз.

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:

VANOS (Double VANOS) фирмы BMW;
VTC, Variable Timing Control от Honda;
VVT-i (Dual VVT-i), Variable Valve Timing with intelligence компании Toyota;
CVVT, Continuous Variable Valve Timing, установленных на автомобилях General Motors; Volvo, Hyundai и Kia;
VVT, Variable Valve Timing фирмы Volkswagen;
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:

VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence компании Toyota;
VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control фирмы Honda;
Valvelift System от Audi;
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.

Приведенная ниже информация носит исключительно ознакомительный характер и будет актуальной для всех работников автомобильной отрасли.

Для удобного использования материалы структурированы по категориям на сайте НАПА . Список тем будет постепенно пополняться.

Постоянно растущие требования к современному автомобилю заставляют производителей авто разрабатывать и улучшать различные конструктивные элементы, повышать качество узлов и компонентов, создавать более современные узлы.

Двигатели современных автомобилей также претерпели изменения. Современные двигатели должны быть достаточно мощными с высоким крутящим моментом, экономичным расходом топлива и низким уровнем выбросов вредных веществ в отработавших газах.

Наибольшее распространение получили два типа ГРМ двигателей. Первый – это двигатель, у которого газораспределительный механизм (ГРМ ) имеет один распределительный вал и клапана , расположенные в головке блока цилиндров (ГБЦ ). Он обозначается SOHC (Single OverHead Camshaft). И второй – это двигатель c двумя распределительными валами, также расположенными в ГБЦ (DOHC - Double OverHead Camshaft ).

При этом существуют две серьёзно различающиеся разновидности этих механизмов, основное отличие заключается в количестве клапанов. DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр, т.е. два впускных клапана и два выпускных. Такое количество клапанов повышает качество и скорость наполнения цилиндров воздушно-топливной смесью. Особенно это актуально, когда двигатель работает под нагрузкой или на повышенных оборотах.


*SOHC*	*DOHC*

Если при неизменном составе топливно-воздушной смеси повышать частоту оборотов коленвала ДВС (двигатель внутреннего сгорания), сохраняя постоянный угол опережения искрообразования, то будет наблюдаться все более позднее развитие процесса сгорания. И как следствие: повышение расхода топлива, снижение мощности двигателя и увеличение выброса в атмосферу с отработавшими газами окиси углерода (СО) и не полностью сгоревших углеводородов СхНу.

Одним из способов сохранения технических показателей двигателей является применение газораспределительной системы с изменяемыми фазами . Наиболее важным для высокоскоростных бензиновых двигателей серийного производства считается момент закрытия впускного клапана. Поэтому постоянно ведутся работы, направленные на усовершенствование конструкций системы газораспределения с изменяемыми фазами и увеличение диапазона их применения на различных двигателях.

В данном пособии мы хотели бы достаточно подробно описать конструкции и принцип действия новых систем изменения фаз газораспределения.

Каждый производитель разработал свою конструкцию системы, и назвал по-своему.

Механизм газораспределения с изменяемыми фазами – это система, которая изменяет время открытия впускных клапанов, чтобы достичь оптимального момента их открытия.

Некоторые производители применили конструкцию, которая меняет время открытия и закрытия впускных клапанов, путем изменения положение кулачков распредвала относительно шкива. Такая система изменения фаз газораспределения применяется на автомобилях марки Volkswagen, Alfa Romeo, Peugeot Citroën и др. В частности на двигателях V6 рабочим объемом 2,8 л и V5 рабочим объемом 2,3 л. В дальнейшем ее предполагается использовать на других двигателях, в частности на двигателях W8 и W12.

Непосредственно на распределительный вал устанавливается или интегрируется в шкив гидроуправляемая муфта, которая по сигналу электронного блока управления двигателем через систему масляных каналов проворачивает распределительный вал .

Некоторые производители аналогичную муфту устанавливают на выпускном распределительном вале. Обе муфты являются гидравлическими устройствами и подключены через корпус механизма газораспределения к системе смазки двигателя.

Технология VVT-i

VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence) - система газораспределения с изменяемыми фазами от Toyota. Является разновидностью технологии VVT и CVVT . Включает в себя, по мере развития, технологии VVT- i, VVTL-i , Dual VVT-i , VVT-iE и Valvematic .

Технология VVT-i была впервые выпущена на рынок в 1996 году и заменила собой первое поколение VVT (1991 год, двигатель 4A-GE).

Принцип VVT-i

В зависимости от условия работы двигателя, система VVT-i плавно изменять фазы газораспределения. Это достигается путем поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных в диапазоне 20-30° (по углу поворота коленвала). В результате изменяется момент начала открытия впускных клапанов и величина времени «перекрытия» (то есть времени, когда выпускной клапан еще не закрыт, а впускной - уже открыт).

Основным элементом устройства является муфта VVT-i интегрированная в шкив, который выполняет роль корпуса муфты. Ротор муфты находится внутри и непосредственно соединен с распределительным валом.

Изначально фазы впускных клапанов установлены таким образом, чтобы добиться максимального крутящего момента при низкой частоте вращения коленвала. После того, как обороты значительно увеличиваются в корпусе муфты сделано несколько полостей, к которым по каналам подводится моторное масло из системы смазки.

Возросшее давление масла открывает клапан VVT-i, заполняя ту или иную полость, обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и, соответственно, смещение распределительного вала на определенный угол.

Кулачки имеют определенную форму и при повороте коленчатого вала открывают впускные клапана немного раньше, а закрывают позже, что благоприятно сказывается на увеличении мощности и крутящего момента на высоких оборотах.

VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control) - система динамического изменения фаз газораспределения, фирменная разработка компании Honda . Вначале система VTEC была успешно реализована в двигателях, применяемых в спортивных автомобилях, а затем, после признания и успеха данная система использована на двигателях гражданских автомобилей.

Особенность системы VTEC заключается в том, что возможно конструировать компактные, но очень мощные (в соотношении объем/л.с.) двигатели без применения дополнительных устройств (турбин, компрессоров), при этом технология производства подобных двигателей остается недорогой, а автомобиль с установленной на нем системой VTEC не испытывает проблем, характерных для турбированных автомобилей.

Принцип работы VTEC, в классическом виде по сравнению с другими системами газораспределения, конструктивно выглядит просто, - на распредвале между основными кулачками разместили один дополнительный кулачок большего профиля. Получается, что на каждый цилиндр приходится по одному дополнительному кулачку.

За наполнение топливной смесью камеры сгорания на низких и средних оборотах работы двигателя, отвечают два внешних кулачка, а центральный задействуется на высоких оборотах. Обратите внимание, что непосредственно на клапана воздействуют не кулачки распредвала, а через так называемые коромысла/рокеры, которых тоже три. Внешние кулачки воздействуют на рокеры, обеспечивающие открытие клапанов независимо друг от друга, а центральная пара кулачек-рокер, хотя и работает, но работает, что называется вхолостую. Клапаны имеют минимальную высоту подъема, фазы ГРМ характеризуются малой продолжительностью.

Как только двигатель достигает определенного количества оборотов, т.е. переходит в режим высоких оборотов, система VTEC активируется. Под давлением масла происходит смещение синхронизирующего штифта внутри рокеров таким образом, что все три рокера как бы становятся одной целой конструкцией, и после этого усилие на впускные клапаны передается от большого кулачка распредвала. Таким образом, увеличивается ход клапанов и фазы газораспределения.

При снижении количества оборотов система возвращается в исходную позицию.

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

Разновидности VTEC

На сегодняшний день существует несколько разновидностей системы VTEC. Первая категория рассчитана на увеличение мощности. Второй, VTEC-E, ставились совсем иные задачи - экономия топлива, о чем и говорит приставка «E» - econom. Итак, разновидности:

Особенность данного двигателя заключается в том, что в городском цикле у автомобиля с системой VTEC-E, расход топлива составляет около 6,5-7 литров бензина на 100 км пути. Это поистине выдающийся результат, учитывая то, что такие двигатели Honda развивают мощность 115 «лошадиных сил». Но автомобили с таким двигателем лишены драйверских ощущений.

Такой результат достигается за счет того, что при небольших оборотах двигатель работает на обедненной топливовоздушной смеси, которая поступает в его цилиндры только через один впускной клапан. Это происходит по причине того, что на втором клапане, кулачек управляющий открытием и закрытием клапана, имеет профиль кольца и поэтому реально работает только один клапан.

За счёт несимметричности потока поступающей горючей смеси (один клапан закрыт, а второй открыт) возникают завихрения, происходит лучше и равномернее заполнение камеры сгорания, что позволяет двигателю работать на довольно бедной смеси. При увеличении оборотов (2500 оборотов и выше) срабатывает система VTEC, синхронизирующий шток под давлением масла перемещается, и рокер первичного клапана входит в зацепление с рокером вторичного клапана и оба клапана работают синхронно.

3-stage VTEC-E

Газораспределительный механизм 3-stage SOHC VTEC представляет собой объединение системы SOHC VTEC и SOHC VTEC-E. В отличие от всех вышеописанных систем эта система имеет не два режима работы, а три.

На первой стадии, когда частота вращения коленчатого вала не превышает ~2500 об/мин, рокер (коромысло) первого и второго работают независимо. Почти круглый кулачок второго клапана через рокер приводит в действие второй клапан, т.е. фактически процесс впуска осуществляется посредством первого клапана, тогда как второй клапан лишь ненамного приоткрывается для избегания скопления топлива над ним. Кулачок второго клапана работает вхолостую.

На второй стадии, начиная приблизительно с 2500 об/мин, масло, поступающее по каналу в распредвале, давит на синхронизирующий шток, который соединяет рокеры первого и второго клапана, обеспечивая синхронную работу обоих впускных клапанов в соответствии с профилем кулачка первого клапана. Остальные кулачки работают вхолостую.

В третьем режиме масло по-прежнему давит на шток в положении, когда обеспечивается синхронная работа обоих клапанов, в то время как, начиная с ~4500 об/мин начинает поступать масло по каналу в другую полость и давить на шпильку, обеспечивающую передачу управления клапанами от третьего кулачка большего профиля, обеспечивающему большую высоту подъема.

В зоне низких оборотов система обеспечивает экономичный режим работы двигателя на обедненной топливо-воздушной смеси. В этом случае используется только один из впускных клапанов. На средних оборотах в работу включается второй клапан, но фазы газораспределения и высота подъема клапанов не изменяются. Двигатель в этом случае реализует высокий крутящий момент. На режиме высоких оборотов оба клапана управляются одним центральным кулачком, отвечающим за снятие с двигателя максимальной мощности.

i-VTEC

Очередной разработкой компании Honda газораспределительного механизма с изменяемыми фазами VTEC является система, получившая обозначение i-VTEC (где буква "i" означает "Intellegence" - "интеллектуальный").

"Интеллектуальность" же данной системы заключалась в следующем - управление изменением фаз осуществляется компьютером, при помощи функции поворота распредвала, регулируя угол опережения. Система i-VTEC позволила двигателям Honda получить больший крутящий момент на низких оборотах, что было постоянной проблемой для двигателей компании, - при высокой мощности они отличались малым крутящим моментом, получаемым на высоких оборотах.

Версия i-VTEC если не устранила, но существенно подкорректировала этот недостаток. Система i-VTEC начала устанавливаться на мощные моторы серии К и некоторых серии R, например, в автомобилях серии Type R, или Acura RSX. Другая версия, напротив, получила "экономичное" направление, и стала устанавливаться в гражданской серии двигателей (например на автомобилях CR-V, Accord, Element, Odyssey, и других).

Принцип работы SOHC i-VTEC

Компания Honda реализовала работу SOHC i-VTEC на простых принципах, которые заключаются, в том, что когда мы управляем автомобилем, то мы придерживаемся в основном двух различных стилей вождения.

Первый стиль вождения мы принимаем за спокойную езду без резких ускорений, с пустым багажником и без пассажиров. В таком режиме обороты двигателя, как правило, не превышают порог в 2,5 – 3,5 тысяч оборотов в минуту, а усилия на педаль газа минимальны. Такие условия являются наиболее благоприятными для экономии топлива.

В классическом виде воздействуя на педаль газа, мы открываем или закрываем дроссельную заслонку и регулируем подачу количества воздуха. В зависимости от количества попадающего воздуха, электронная система управления двигателем в нужной пропорции подает топливо для образования топливно-воздушной смеси. Чем сильнее нажимаем на педаль газа, тем больше открывается дроссельная заслонка (увеличивается поперечное сечение впускного канала). В это же время дроссельная заслонка являлась препятствием для прохождения воздуха.

Дроссельная заслонка - элемент впускной системы, которая регулирует подачу воздуха в двигатель.

По идее, такое поведение дроссельной заслонки должно способствовать экономии топлива - поступает меньше воздуха и соответственно компьютер уменьшает дозу подаваемого топлива. Однако это не совсем так. В такой ситуации дроссельная заслонка выступает в качестве силы сопротивления, препятствуя прохождению воздуха, когда этого требует рабочий процесс. Получается поршень, опускаясь в цилиндре вниз нижней мертвой точки, должен всасывать топливно-воздушную смесь, затрачивая на это собственную энергию. Энергию, которая в конечном итоге должна была полностью передаться на колеса. Этот побочный эффект прозвали «насосными потерями».

Попытаемся взглянуть на это с практической точки зрения на примере системы SOHC i-VTEC. Ведь именно устранение насосных потерь – преимущество нового i-VTEC на двигателях с одним распредвалом.

Все, что надо было сделать – это на низких оборотах двигателя дроссельную заслонку оставить открытой, а регулировку подачи топливно-воздушной смеси доверить системе i-VTEC. На деле, разумеется, не все так просто.

Следует учитывать следующий момент, что в период, когда дроссельная заслонка полностью открыта, во впускную систему поступает чрезмерно много воздуха и соответственно в цилиндры много топливно-воздушной смеси.

В стандартных двигателях на фазе впуска впускные клапаны открыты, поршень движется вниз к нижней мертвой точке (НМТ). Как только поршень достигает нижней мертвой точки, впускные клапаны синхронно закрываются, а поршень, начиная фазу сжатия, поднимается к верхней мертвой точке (ВМТ).

Но смесь не сгорает, как вы, наверное, подумали. Фишка системы состоит в том, что один из двух впускных клапанов в цилиндре после фазы впуска закрывается значительно позже второго.

Двигатель с SOHC i-VTEC работает несколько иначе. На фазе впуска – поршень движется к НМТ, впускные клапаны открыты. На фазе сжатия поршень начинает движение вверх к ВМТ. По условию работы i-VTEC в режиме экономии один из впускных клапанов остается открытым и под давлением движущегося вверх поршня, лишняя топливно-воздушная смесь, которая попала в цилиндр благодаря полностью открытой дроссельной заслонке, беспрепятственно возвращается во впускной коллектор.

Механизм системы SOHC i-VTEC аналогичен механизму VTEC предыдущих поколений. Все двигатели с системой SOHC i-VTEC имеют два впускных клапана и два выпускных на каждый цилиндр, т.е 16 клапанов на 4 цилиндра. На каждую пару клапанов приходится 3 кулачка – два обычных крайних и один центральный большего профиля VTEC. Кулачки распредвала традиционно воздействуют на клапаны не непосредственно, а через рокеры, которых тоже три на два клапана.

При отключенной системе i-VTEC внешние кулачки обеспечивают открытие клапанов и каждый рокер работает независимо друг от друга, а центральный кулачок, хотя и вращается вместе с остальными, но работает вхолостую.

Как только двигатель переходит в режим работы, которую система Drive by Wire определяет как благоприятную для работы системы - посредством давления масла система смещает шток внутри рокеров таким образом, что два из трех рокеров работают, как единая конструкция. И с этого момента, рокер впускного клапана, который синхронизирован штоком с рокером кулачка системы VTEC, открывает клапан на величину и продолжительность в соответствии с профилем кулачка системы VTEC. Практически, как обычная система газораспределения с изменяемыми фазами VTEC, с той лишь разницей, что работают системы при разных условиях и в разных фазах.

Drive by Wire (DRW) или «управление по проводам» - электронная цифровая система управления автомобилем.

В обычной системе VTEC два внешних кулачка отвечают за работу двигателя на низких оборотах, а центральный кулачок системы VTEC, подключается на высоких оборотах, таким образом, обеспечивая большее высоту и период открытия, чтобы в цилиндры поступило как можно больше топливно-воздушной смеси. В «умном» SOHC i-VTEC все работает наоборот - рабочая зона системы находится в диапазоне от 1000 до 3500 оборотов в минуту. На «верхах» же мотор вступает в стандартный режим работы.

Однако, диапазон оборотов не единственный фактор по которому система Drive by Wire определяет момент включения и выключения системы. Иначе новый i-VTEC мало чем отличался бы от предшественников.

Новый SOHC i-VTEC в паре с «Drive by Wire» дополнительно определяет нагрузку на двигатель и в зависимости от ее величины принимает решение включать VTEC или нет.

Именно символ «i» в названии системы указывает на работу этих двух систем. Получается, что система VTEC работает при определенных оборотах двигателя и определенной величине нагрузки на двигатель. Поэтому «Drive by Wire», которая и определяет оптимальные условия, является наиважнейшей составляющей системы в целом.

Общий рабочий диапазон SOHC i-VTEC демонстрирует график. Красная зона на графике и есть благоприятная среда для работы системы.