Фазы газораспределения двигателя: что это такое и как они работают

Для чего необходима система изменения фаз газораспределения

Для достижения наибольшей эффективности применительно к динамично изменяющимся режимам работы ДВС необходима различная величина фаз газораспределения. В режиме холостого хода наиболее рациональными становятся «узкие» фазы газораспределения, под которыми понимается позднее открытие и ранее закрытие клапанов. При этом исключается перекрытие фаз, под которым понимается время одновременного открытия впускного и выпускного клапана. Это необходимо для того, чтобы исключить попадание выхлопных газов во впуск и выброс топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор.

Выход мотора на режим максимальной мощности означает повышение оборотов, так как распредвал крутится быстрее и время открытия клапанов сокращается. Для того чтобы не терялась мощность и крутящий момент на высоких оборотах сохранялся, в двигатель должно поступать намного больше топливно-воздушной смеси, а выпуск отработавших газов должен быть реализован максимально эффективно. Задача решается путем раннего открытия клапанов и увеличения времени их открытия, делая фазу «широкой». Фаза перекрытия также расширяется до максимума с ростом оборотов, что необходимо для качественной продувки цилиндров.

Если мотор работает на низких оборотах, нужны максимально короткие фазы газораспределения. Это означает, что время открытия клапанов должно быть минимальным по продолжительности, обеспечивая так называемые «узкие» фазы. Высокие обороты двигателя требуют полной противоположности в виде «широких» фаз газораспределения. Время открытия клапана должно быть увеличено до максимума, параллельно обеспечивая такты впуска и выпуска, а также эффективное перекрытие.

Сам кулачок распредвала имеет форму, которая способна обеспечить как реализацию узкой, так и широкой фазы. Проблема заключается в том, что фиксированная форма кулачка не позволяет одновременно добиться узких и широких фаз газораспределения. Получается, форма кулачка подобрана с расчетом на возможный оптимальный баланс между высоким показателем крутящего момента на низких оборотах ДВС и максимальной мощностью агрегата в режиме высокой частоты вращения коленчатого вала. Система изменения фаз газораспределения позволяет намного более гибко изменять эти параметры, буквально «подстраивая» ГРМ под конкретный режим работы двигателя для достижения лучшей отдачи от мотора и топливной экономичности.

Системы изменения фаз газораспределения представлены несколькими видами. Главные отличия заключаются в тех и или иных параметрах регулировки ГРМ в процессе его работы. Сегодня используются следующие решения для управления фазами газораспределения:

система поворота распредвала;
кулачки распредвала с различным профилем;
система изменения высоты подъема клапанов;

Устройство, принцип работы VVT

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

Конструктивно фазовращатель состоит из ротора, который соединен с распредвалом, и корпуса, наружная часть которого является шестерней 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. Распределитель 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

Ввиду более сложной конструкции, система изменения фаз газораспределения посредством воздействия на коромысла клапанов кулачков разной формы получила меньшее распространение. Как и в случае с Variable Valve Timing, автоконцерны используют разные обозначения для обозначения схожих по принципу работы систем.

Хонда — Variable Valve Timing and Lift Electronic Control (VTEC). Если на двигателе одновременно используется и VTEC, и VVT, то такая система носит аббревиатуру i-VTEC.
БМВ – Valvelift System.
Ауди — Valvelift System.
Тойота — Variable Valve Timing and Lift with intelligence от Toyota (VVTL-i).
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 вы можете 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), который 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 является 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 продолжительности открытия и высоты подъема клапанов позволяет не только изменять фазы газораспределения, но и практически полностью снять с дроссельной заслонки функцию регулирования нагрузки на двигатель. Речь в первую очередь о системе Valvetronic от BMW. Именно специалисты БМВ впервые добились подобных результатов. Сейчас схожими разработками обладают: Toyota (Valvematic), Nissan (VVEL), Fiat (MultiAir), Peugeot (VTI).

В системе Valvetronic количество поступающего в цилиндры воздуха регулируется степенью подъема и продолжительностью открытия клапанов. Реализовать это получилось при помощи внедрения в конструкцию эксцентрикового вала и промежуточного рычага. Рычаг связан червячной передачей с сервоприводом, управляет которым ЭБУ. Изменения положения промежуточного рычага смещает воздействие коромысла в сторону большего или меньшего открытия клапанов. Более подробно принцип работы показан на видео.

Что такое система фаз газораспределения двигателя автомобиля?

Фазами газораспределения называют изменение угла коленвала силового агрегата транспортного средства, которое совершается за время между одним циклом открытия и закрытия клапанов ГБЦ. Данная величина измеряется в градусах и отмечается отношением между начальным и конечным рабочим тактом.

Основная функция газораспределительного механизма заключается в обеспечении наивысшей эффективности заполнения и опустошения камеры цилиндра при работе мотора. Это оказывает прямое влияние на качество работы ДВС, её бесперебойность, выходные динамические характеристики, величину крутящего момента и, разумеется, экономичность.

Зачем менять фазы газораспределения?

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.

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.

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.

Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. вк.ком/v_korche 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.

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.

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.

Требования к тракторам

С тракторами ситуация, естественно, другая. Этот труженик должен работать хорошо и максимально долго. Поэтому высокие обороты и динамика тут не к чему. А вот увеличение моточасов в работе фермера куда более актуальный вопрос, чем лишние 20 л.с.

Дефорсирование двигателя в принципе распространенная практика. Кроме тракторов, подобным занимаются производители катеров и теплоходов. Все ради увеличения ресурса.

Многие рукастые фермеры даже сами перенастраивают работу топливного насоса, но не только ради увеличения ресурса. На меньших оборотах процесс пахоты проходит куда более гладко. Высокооборотистые трактора сейчас в основном задействуются в качестве толкачей.

Кстати, сейчас многие производители легковых автомобилей устанавливают специальные чипы, которые не дают использовать пиковую мощность мотора, но это больше обусловлено требованиями экологических стандартов и снижению транспортного налога, что к тракторам не имеет никакого отношения.

Поменял жидкость в ГУР своими руками за 15 минут! Делюсь способом и впечатлениями.
Список документов, которые обязан показать водитель инспектору ДПС.

Как двигают фазы

У разных производителей существуют различные конструкции таких систем. Одни изменяют время подъема клапанов, другие – высоту подъема, а третьи – и то, и другое. Системы изменения фаз могут устанавливаться только для впускных клапанов или и для впускных, и для выпускных. В настоящее время используется три способа изменения фаз газораспределения.

Первый способ – поворот распредвала по ходу вращения с ростом оборотов двигателя. Таким образом, обеспечивается более раннее открытие клапанов. Основная деталь таких систем – фазовращатель (другое название – гидроуправляемая муфта). Он представляет собой ротор, смонтированный в шкиве распредвала, между которыми есть полости. Эти полости по сигналу контроллера двигателя через электромагнитный клапан заполняются маслом, что приводит к повороту распредвала. Угол поворота зависит от того, какая именно полость заполнена. Фазовращатель в большинстве случаев устанавливается только на впускной распредвал, на некоторых системах – и на выпускной. Описанный способ используется в системах VANOS и Double VANOS от BMW, VVT-i и Dual VVT-i(Variable Valve Timing with intelligence) от Toyota, VVT(Variable Valve Timing) от Volkswagen, VTC(Variable Timing Control) от Honda, CVVT(Continuous Variable Valve Timing) от Hyundai, Kia, Volvo, General Motors, VCP(Variable Cam Phases) от Renault.
Второй способ – применение кулачков разного профиля на разных режимах работы. На малых оборотах используются кулачки, обеспечивающие «узкие» фазы, то есть малые высоту подъема и время открытия клапанов. С ростом оборотов по команде блока управления происходит переключение на «широкофазные» кулачки. Таким образом, фазы меняются ступенчато, а не плавно, как в предыдущей системе. Зато, кроме фаз, регулируется и высота подъема клапана. Разнопрофильные кулачки используют в своих системах: VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) от Honda, VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift with intelligence) от Toyota, MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control) от Mitsubishi.
Третья, самая совершенная группа систем, плавно регулирует высоту подъема клапанов. Главное достоинство таких систем в том, что они позволяют отказаться от дроссельной заслонки на впуске. Тем самым существенно снижаются насосные потери и расход топлива. Впервые такая система под названием Valvetroniс была применена BMW. В ней между распредвалом и клапаном расположен дополнительный рычаг, один конец которого давит на коромысло клапана, а второй соединен с эксцентриковым валом. Проворачивая этот вал с помощью электромотора, система управления тем самым меняет наклон рычага и его плечо. Увеличение плеча приводит к увеличению подъема клапана и количества воздуха, попадающего в цилиндры. Высота подъема регулируется в пределах от 0,5 до 12 мм.

Вслед за BMW аналогичные системы создали Valvematic от Toyota, VEL (Variable Valve Event and Lift System) от Nissan, MultiAir от Fiat, VTI (Variable Valve and Timing Injection) от Peugeot.

В системе MultiAir используется один распредвал, который приводит и впускные, и выпускные клапана. Но если выпускные клапана механически управляются кулачками, то на впускные воздействие от кулачков передается через специальную электрогидравлическую систему. Именно в ней и состоит новизна. Впускные кулачки нажимают на поршни, а те через электромагнитный клапан передают усилие на рабочие гидроцилиндры, которые уже воздействуют на впускные клапана. Главный узел – именно клапан, регулирующий давление в системе. Он имеет только два положения: открыт-закрыт. Если он открыт, давление в системе отсутствует, и усилие на клапан не передается. Поэтому, управляя моментом и длительностью открытия электромагнитного клапана за то время, пока кулачок воздействует на поршенек, можно добиться любого алгоритма открытия впускных клапанов. А значит, ширину фаз можно плавно регулировать от 0 до 100%. Максимальная ширина фазы определяется профилем впускного кулачка распредвала.

А какое отношение все вышеописанное имеет к экологии? Системы изменения фаз газораспределения, оптимизируя процесс сгорания топлива, тем самым снижают его расход, а, значит и количество вредных выбросов.

Как двигают фазы

Первый способ – поворот распредвала по ходу вращения с ростом оборотов двигателя. Таким образом, обеспечивается более раннее открытие клапанов. Основная деталь таких систем – фазовращатель (другое название – гидроуправляемая муфта). Он представляет собой ротор, смонтированный в шкиве распредвала, между которыми есть полости. Эти полости по сигналу контроллера двигателя через электромагнитный клапан заполняются маслом, что приводит к повороту распредвала. Угол поворота зависит от того, какая именно полость заполнена. Фазовращатель в большинстве случаев устанавливается только на впускной распредвал, на некоторых системах – и на выпускной. Описанный способ используется в системах VANOS и Double VANOS от BMW, VVT-i и Dual VVT-i(Variable Valve Timing with intelligence) от Toyota, VVT(Variable Valve Timing) от Volkswagen, VTC(Variable Timing Control) от Honda, CVVT(Continuous Variable Valve Timing) от Hyundai, Kia, Volvo, General Motors, VCP(Variable Cam Phases) от Renault.
Второй способ – применение кулачков разного профиля на разных режимах работы. На малых оборотах используются кулачки, обеспечивающие «узкие» фазы, то есть малые высоту подъема и время открытия клапанов. С ростом оборотов по команде блока управления происходит переключение на «широкофазные» кулачки. Таким образом, фазы меняются ступенчато, а не плавно, как в предыдущей системе. Зато, кроме фаз, регулируется и высота подъема клапана. Разнопрофильные кулачки используют в своих системах: VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) от Honda, VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift with intelligence) от Toyota, MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control) от Mitsubishi.
Третья, самая совершенная группа систем, плавно регулирует высоту подъема клапанов. Главное достоинство таких систем в том, что они позволяют отказаться от дроссельной заслонки на впуске. Тем самым существенно снижаются насосные потери и расход топлива. Впервые такая система под названием Valvetroniс была применена BMW. В ней между распредвалом и клапаном расположен дополнительный рычаг, один конец которого давит на коромысло клапана, а второй соединен с эксцентриковым валом. Проворачивая этот вал с помощью электромотора, система управления тем самым меняет наклон рычага и его плечо. Увеличение плеча приводит к увеличению подъема клапана и количества воздуха, попадающего в цилиндры. Высота подъема регулируется в пределах от 0,5 до 12 мм.

Основные методы форсирования силовой установки

Улучшение показателей мотора за счёт форсирования набирает все большую популярность. Существует целый ряд фирм, проводящих доводку и модернизацию агрегатов сразу, после их выхода с конвейера завода. Форсирование ДВС, как правило, происходит за счёт каких-то изменений в его конструкции, к ним можно отнести:

Изменения в головке блока цилиндров

Доработка головки блока цилиндров играет одну из важнейших ролей в модернизации. Правильно проведённая работа способна добавить 20% мощности установке. Форсированный двигатель не только демонстрирует улучшенные характеристики, а так же имеет повышенный ресурс за счёт большего наполнения цилиндров смесью, правильного и полноценного сгорания топлива, и отвода продуктов сгорания.

Поскольку камера сгорания является местом, в котором протекают основные рабочие процессы силовой установки, именно на её улучшение направлена основная работа. От камеры сгорания напрямую зависят такие процессы, как смесеобразование, продувка, воспламенение, горение. Что бы улучшить их, камеру полируют, увеличивают впускные и выпускные каналы, проходные сечения головки блока цилиндров, улучшают клапана, коллекторы и др.

Замена распределительного вала

Положительным моментом в применении такой модернизации является отсутствие необходимости изменять рабочий объём установки. Такое конструктивное решение позволяет сдвинуть диапазон мощности относительно условий эксплуатации агрегата. Таким образом, на определённых режимах работы мотора, будут изменены фазы газораспределения, и двигатель получит прирост мощности.

Увеличение объёма силовой установки

Данный метод форсирования является самым простым и популярным. Для его осуществления можно прибегнуть к нескольким действиям: увеличить диаметр цилиндров, или установить коленчатый вал, имеющий больший ход.

Увеличение степени сжатия

Метод позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия силовой установки. Степень сжатия напрямую зависит от задержки закрытия впускного клапана, а так же от угла открытия дроссельной заслонки. Процесс достигается при помощи установки специального распределительного вала, который позволяет повлиять на фазы газораспределения, расширив их.

Способ обеспечивает прирост мощности агрегата во всем диапазоне оборотов. Кроме того, требует применения другого сорта топлива, с увеличенным показателем октанового числа.

Увеличение наполнения цилиндров

Принцип метода: снизить аэродинамическое сопротивление во впускной и выпускной системе, в каналах головки блока цилиндров. Для увеличения коэффициента наполнения цилиндров выполняются работы по полной замене впуска и выпуска или их модификации.

Кроме того, параллельно устанавливается раздельный выпускной коллектор, прямоточная выхлопная система и воздушный фильтр нулевого сопротивления. Как пример, ВАЗ 2108 с коэффициентом 0,75 после доработки имеет коэффициент 1,0 и выше.

Недостатком метода является его значительная стоимость по отношению к прибавке мощности, полученной на выходе.

Уменьшение механических потерь

К механическим потерям при работе силовой установки можно отнести: потери на трение, насосные потери, потери на привод механизмов мотора.

Самое сильное трение происходит в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания. Для уменьшения силы одними из способов является установка поршней с меньшей площадью юбки. Кроме того, уменьшают ход поршня, подгоняют поршни и детали кривошипно-шатунного механизма по весу, производят балансировку. К насосным потерям относят потери мощности на всасывание двигателем воздуха.

Приводы газораспределительного механизма, генератора, помпы и др. так же требуют энергии. В идеале при форсировании силовой установки все их необходимо уравновесить, с целью уменьшения и равномерного распределения мощности. Иногда для этого достаточно воспользоваться изменением передаточного отношения.

Установка сухого картера так же положительно сказывается на экономии мощности. При движении транспортного средства, в обычном картере происходит колебание излишков масла, которые, попадая на коленчатый вал и другие механизмы, вызывают их дисбаланс. Как следствие, потери мощности на противостояние ему. Сухой картер минимизирует эти потери.