Системы изменения фаз газораспределения

Системы изменения фаз газораспределения (VVT) — ключевой элемент двигателей внутреннего сгорания, оптимизирующий работу мотора в разных режимах. Регулировка фаз открытия и закрытия клапанов повышает мощность, улучшает динамические характеристики и снижает расход топлива. В статье рассмотрим принцип работы VVT, их конструктивные особенности и влияние на эффективность двигателей, что поможет понять их значимость в автомобилестроении.

Фиксированные фазы

Фазами газораспределения называют моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, измеряемые в градусах поворота коленчатого вала относительно нижней и верхней мертвых точек. Период открытия и закрытия клапанов обычно отображается в диаграмме.

Изменения могут касаться следующих аспектов:

• момента начала открытия клапанов;
• длительности их открытого состояния;
• высоты подъема клапана.

Современные двигатели чаще всего имеют фиксированные фазы газораспределения, определяемые формой кулачка распределительного вала. Основной недостаток этого подхода — оптимальность кулачков лишь в ограниченном диапазоне оборотов. Гражданские двигатели проектируются для стандартных условий эксплуатации. Двигатель, хорошо работающий на низких оборотах, может иметь низкий крутящий момент и мощность на высоких. Для решения этой проблемы разработана система изменения фаз газораспределения.

Эксперты в области автомобильной инженерии отмечают, что системы изменения фаз газораспределения (VVT) играют ключевую роль в оптимизации работы двигателей внутреннего сгорания. Эти системы позволяют изменять временные параметры открытия и закрытия клапанов, что, в свою очередь, способствует улучшению динамических характеристик и снижению расхода топлива. Специалисты подчеркивают, что внедрение VVT технологий позволяет добиться более эффективного сгорания топлива, что снижает уровень выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме того, современные разработки в этой области направлены на повышение надежности и долговечности компонентов, что делает двигатели более конкурентоспособными на рынке. В целом, эксперты уверены, что дальнейшее развитие систем изменения фаз газораспределения будет способствовать созданию более экологичных и экономичных автомобилей.

Принцип действия VVT

Суть работы системы VVT в том, чтобы в реальном времени, ориентируясь на режим работы двигателя, корректировать фазы открытия клапанов. В зависимости от конструктивных особенностей каждой из систем, реализовывается это несколькими путями:

• поворотом распределительного вала относительно шестерни распредвала;
• включением в работу на определенных оборотах кулачков, форма которых подходит для мощностных режимов;
• изменением высоты подъема клапанов.

Наибольшее распространение получили системы, в которых регулировка фаз осуществляется изменением углового положения распределительного вала относительно шестерни. Несмотря на то что в работу разных систем положен схожий принцип, многие автоконцерны используются индивидуальные обозначения:

1. Рено – Variable Cam Phases (VCP).
2. БМВ – VANOS. Как и у большинства автопроизводителей, изначально подобной системой укомплектовывался только распределительный вал впускных клапанов. Система, в которой гидромуфты изменения фаз газораспределительного механизма устанавливается и на выпускной распредвал, называется Double VANOS.
3. Тойота — Variable Valve Timing with intelligence (VVT-i). Как в случае с БМВ, наличие системы на впускном и выпускном распредвалах именуется Dual VVT.
4. Хонда — Variable Timing Control (VTC).
5. Фольксваген в данном случае поступили более консервативно и выбрали международное название — Variable Valve Timing (VVT).
6. Хюндай, Киа, Вольво, GM — Continuous Variable Valve Timing (CVVT).

Система VVTI на двигателе 1NZ-FE

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о системах изменения фаз газораспределения:

1. Увеличение мощности и экономии топлива: Системы изменения фаз газораспределения (VVT) позволяют оптимизировать время открытия и закрытия клапанов в зависимости от условий работы двигателя. Это приводит к увеличению мощности на высоких оборотах и улучшению экономии топлива на низких, что делает двигатели более эффективными и экологически чистыми.

2. Разнообразие технологий: Существует несколько различных технологий изменения фаз газораспределения, включая системы с изменяемыми кулачками (например, VTEC от Honda), гидравлические системы (например, VVT-i от Toyota) и электромеханические системы (например, Valvetronic от BMW). Каждая из этих технологий имеет свои уникальные особенности и преимущества.

3. Влияние на выбросы: Системы изменения фаз газораспределения играют важную роль в снижении выбросов вредных веществ. Оптимизация работы клапанов позволяет более эффективно сжигать топливо, что снижает уровень выбросов углекислого газа и других загрязняющих веществ, соответствуя современным экологическим стандартам.

Как фазы влияют на работу двигателя

Поведение газов в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) зависит от режима работы мотора. На холостом ходу скорость поршней ниже, чем при максимальных оборотах, что влияет на колебания газовой смеси во впускном и выпускном коллекторах. Эти колебания могут создавать резонансный наддув или вызывать проблемы, такие как паразитные колебания и застои. Поэтому скорость и эффективность заполнения цилиндров различаются в зависимости от режима работы двигателя.

На низких оборотах максимальное заполнение цилиндров достигается за счет позднего открытия выпускного клапана и раннего закрытия впускного. В этом случае перекрытие клапанов минимально, что предотвращает выталкивание оставшихся выхлопных газов обратно во впускной тракт. На форсированных моторах с широкофазными распределительными валами часто требуется повышенный холостой ход.

На высоких оборотах для максимальной отдачи от двигателя фазы газораспределения должны быть широкими, так как поршни прокачивают больше воздуха за единицу времени. Перекрытие клапанов улучшает продувку цилиндров и последующее заполнение.

Таким образом, установка системы регулировки фаз газораспределения и высоты подъема клапанов в зависимости от режима работы двигателя повышает его эластичность, мощность, экономичность и экологичность.

Механизм газораспределения VVT-i TOYOTA LEXUS .avi

Устройство, принцип работы VVT

За угловое смещение распределительного вала отвечает фазовращатель. Он представляет собой гидромуфту, работой которой управляет ЭБУ двигателя.

Конструктивно фазовращатель состоит из ротора, который соединен с распредвалом, и корпуса, наружная часть которого — шестерня распределительно вала. Между корпусом гидроуправляемой муфты и ротором находятся полости, заполнение которых маслом приводит к перемещению ротора, а, следовательно, и смещению распредвала относительно шестерни. В полости масло подается по специальным каналам. Регулировка количества поступающего через каналы масла осуществляется электрогидравлическим распределителем. Он представляет собой обычный электромагнитный клапан, который управляется ЭБУ посредством ШИМ-сигнала. Именно ШИМ-сигнал делает возможным плавное изменение фаз газораспределения.

Система управления, в образе ЭБУ двигателя, использует сигналы следующих датчиков:

• ДПКВ (рассчитывается частота вращения коленчатого вала);
• ДПРВ;
• ДПДЗ;
• ДМРВ;
• ДТОЖ.

Системы с разной формой кулачков

Сложная конструкция системы изменения фаз газораспределения, воздействующая на коромысла клапанов с помощью кулачков различной формы, не получила широкого распространения. Автопроизводители используют разные названия для аналогичных технологий:

1. Хонда — Variable Valve Timing and Lift Electronic Control (VTEC). Если на двигателе работают и VTEC, и VVT, система называется i-VTEC.
2. БМВ — Valvelift System.
3. Ауди — Valvelift System.
4. Тойота — Variable Valve Timing and Lift with intelligence (VVTL-i).
5. Митсубиши — Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control (MIVEC).

Принцип работы

Система VTEC от Honda является, пожалуй, одной из самых известных, но и остальные системы работают по схожему типу.

Как можно увидеть из схемы, в режиме низких оборотов усилие на клапаны через коромысла передается набеганием двух крайних кулачков. При этом среднее коромысло двигается «вхолостую». При переходе в режим высоких оборотов давлением масла выдвигается запорный шток (блокирующий механизм). Он превращает 3 коромысла в единый механизм. Увеличение хода клапанов достигается за счет того, что среднему коромыслу соответствует кулачок распредвала с наибольшим профилем.

Разновидность системы VTEC — конструкция, в которой режимам низких, средних и высоких оборотов соответствуют разные коромысла и кулачки. На низких оборотах кулачком меньшей формы открывается только один клапан. В режиме средних оборотов два меньших по форме кулачка открывают 2 клапаны. А на больших оборотах наибольший кулачок открывает оба клапаны.

https://youtube.com/watch?v=cXgU-S3KR1g

Крайний виток развития

Ступенчатое изменение времени открытия и высоты подъема клапанов позволяет варьировать фазы газораспределения и освободить дроссельную заслонку от регулирования нагрузки на двигатель. Это реализовано в системе Valvetronic от BMW, ставшей первой в своем роде. Аналогичные технологии разработаны также у Toyota (Valvematic), Nissan (VVEL), Fiat (MultiAir) и Peugeot (VTI).

Дроссельная заслонка, открытая на небольшой угол, создает значительное сопротивление воздушным потокам, что приводит к потерям энергии, получаемой от сгорания топливовоздушной смеси. Это негативно сказывается на мощности и экономичности автомобиля.

В системе Valvetronic количество воздуха, поступающего в цилиндры, регулируется высотой подъема и временем открытия клапанов. Это стало возможным благодаря эксцентриковому валу и промежуточному рычагу. Рычаг соединен червячной передачей с сервоприводом, контролируемым электронным блоком управления (ЭБУ). Изменение положения промежуточного рычага смещает действие коромысла, позволяя увеличивать или уменьшать открытие клапанов. Более подробно с принципом работы можно ознакомиться на видео.

Valvetronic, la distribución variable de BMW

Преимущества и недостатки систем изменения фаз газораспределения

Системы изменения фаз газораспределения (VVT) представляют собой технологию, позволяющую оптимизировать работу двигателя внутреннего сгорания за счет изменения времени открытия и закрытия клапанов. Эти системы имеют свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации двигателей.

Преимущества систем изменения фаз газораспределения:

• Увеличение мощности и крутящего момента: Системы VVT позволяют двигателю адаптироваться к различным условиям работы, что приводит к увеличению мощности на высоких оборотах и улучшению крутящего момента на низких оборотах. Это достигается за счет оптимизации фаз газораспределения, что позволяет более эффективно использовать топливо.
• Снижение расхода топлива: Благодаря возможности регулировки фаз газораспределения, двигатели с VVT могут работать более эффективно, что приводит к снижению расхода топлива. Это особенно актуально в условиях городского движения, где частые остановки и разгоны требуют оптимизации работы двигателя.
• Снижение выбросов вредных веществ: Системы изменения фаз газораспределения способствуют более полному сгоранию топлива, что позволяет снизить уровень выбросов CO2 и других вредных веществ. Это делает двигатели более экологичными и соответствует современным стандартам по охране окружающей среды.
• Улучшение динамических характеристик: Системы VVT обеспечивают более плавную работу двигателя, что положительно сказывается на динамических характеристиках автомобиля. Это позволяет добиться лучшей отзывчивости на нажатие педали акселератора и улучшает общие ощущения от вождения.

Недостатки систем изменения фаз газораспределения:

• Сложность конструкции: Внедрение систем VVT увеличивает сложность конструкции двигателя, что может привести к повышению затрат на его производство и обслуживание. Это также может усложнить диагностику и ремонт в случае возникновения неисправностей.
• Повышенные требования к качеству топлива: Двигатели с системами изменения фаз газораспределения могут предъявлять более высокие требования к качеству используемого топлива. Низкокачественное топливо может негативно сказаться на работе системы и привести к ее преждевременному износу.
• Стоимость обслуживания: Обслуживание и ремонт систем VVT могут быть более дорогими по сравнению с традиционными системами газораспределения. Это связано с необходимостью использования специализированного оборудования и квалифицированных специалистов.
• Чувствительность к загрязнениям: Системы изменения фаз газораспределения могут быть чувствительны к загрязнениям и отложениям, что может привести к снижению их эффективности и необходимости более частого обслуживания.

Таким образом, системы изменения фаз газораспределения представляют собой важный шаг в развитии технологий двигателей внутреннего сгорания, предлагая значительные преимущества в плане производительности и экологии. Однако их внедрение связано с определенными сложностями и недостатками, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации современных двигателей.

Вопрос-ответ

Сколько стоит ремонт системы изменения фаз газораспределения?

Средняя стоимость замены соленоида системы изменения фаз газораспределения составляет от 431 до 545 долларов США. Стоимость работы оценивается в 188–275 долларов США, а стоимость запчастей — от 243 до 270 долларов США. Этот диапазон не включает налоги и сборы, а также не учитывает ваше местоположение. Также может потребоваться сопутствующий ремонт.

Кто изобрел систему изменения фаз газораспределения?

Компания Fiat стала первым автопроизводителем, запатентовавшим функциональную автомобильную систему изменения фаз газораспределения, включающую переменный подъём клапанов. Разработанная Джованни Торацца, система использовала гидравлическое давление для изменения положения опоры толкателей.

Что такое система DVVT?

Toyota Variable Valve Timing. Dual-VVT. Схема DVVT – как развитие условного 4-го поколения – цепной привод ГРМ на оба распредвала, механизм изменения фаз с лопастными роторами на звездочках впускного и выпускного распредвалов. Применялась на двигателях серий AR, ZR, NR, GR, UR, LR.

Как работает система изменения фаз газораспределения Volvo?

В большинстве моделей Volvo блок VVT расположен в верхней части двигателя, часто крепится к головке блока цилиндров. Он работает, изменяя положение распределительного вала относительно приводной шестерни, изменяя фазы газораспределения в зависимости от нагрузки, частоты вращения и температуры двигателя.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите основные принципы работы систем изменения фаз газораспределения (VVT). Понимание того, как эти системы влияют на производительность двигателя, поможет вам лучше оценить их преимущества и недостатки.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на регулярное техническое обслуживание вашего автомобиля. Системы VVT требуют корректной работы всех компонентов, поэтому регулярная проверка и замена масла, а также диагностика системы помогут избежать серьезных поломок.

СОВЕТ №3

При выборе автомобиля с системой изменения фаз газораспределения, обратите внимание на отзывы владельцев и результаты тестов. Это поможет вам понять, насколько эффективно работает система в реальных условиях и как она влияет на расход топлива и динамику.

СОВЕТ №4

Если вы планируете модификацию двигателя, учитывайте совместимость с системой VVT. Некоторые изменения могут негативно сказаться на работе системы, поэтому лучше проконсультироваться с профессионалами перед внесением изменений.