В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования.

Чтобы варьировать фазами газораспределения необходимо изменять положение распределительного вала относительно коленчатого.

Холостой ход. На этом режиме работы следует устанавливать такой угол поворота распределительного вала, который соответствует самому позднему началу открытия впускных клапанов (максимальный угол задержки, при минимальном перекрытии клапанов). Этим обеспечивается минимальное поступление отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя и снижение расхода топлива.

Режим низких нагрузок. Перекрытие клапанов уменьшается для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.

Режим средних нагрузок. Перекрытие клапанов увеличивается, что позволяет снизить «насосные» потери, при этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет снизить температуру рабочего цикла и вследствие этого содержание оксидов азота в отработавших газах.

Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала. На этом режиме обеспечивается раннее закрытие впускных клапанов, что обеспечивает увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель бо­лее четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно в транспортном потоке.

Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала. Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо перекры­тие клапанов около ВМТ с большим углом поворота коленчатого вала. Это связано с тем, что мощность в наиболь­шей степени зависит от максимально возможного количества топливно-воздушной смеси, попадающей в цилиндр за ко­роткое время, но, чем выше частота вращения, тем меньше время, отводимое на заполнение цилиндра.

Главными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

• улучшение качества работы двигателя на холостом ходу
• снижение расхода топлива
• оптимизация крутящего момента в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала
• увеличение внутренней рециркуляции отработавших газов с сопутствующим ей снижением температуры газов при сгорании и уменьшением выброса оксидов азота
• увеличение мощности в области высоких частот вращения коленчатого вала

В 90-е годы все больше и больше двигателей стали обору­доваться системами изменения фаз газораспределения таким образом, что угол перекрытия клапанов мог изменяться в со­ответствии с режимами работы двигателя. В этих системах, применяемых на двигателях DOHC (с двумя распределительными валами), монтировалось специальное устройство в привод­ную шестерню распределительного вала впускных клапанов. Такие устройства называют изменяемыми фазами газораспределения VIVT (Variable inlet valve timing).

Впервые изменение фаз газораспределения было применено на автомобилях Альфа Ромео в 1983 году. После этого такие системы стали применяться на автомобилях Мерседес, Ниссан, БМВ, Порше и др. Принцип действия привода поворота распределительного вала, для изменения фаз газораспределения, может быть механический, гидравлический, электрический и пневматический.

Как правило, изменение фаз газораспределения применяется в двигателях с двумя распределительными валами, один из которых служит для открытия впускных клапанов, другой – выпускных. Широкое распространение находят системы с изменение натяжения цепи по принципу гидравлического кольца. Изменение фаз газораспределения при таком виде производится только для впускных клапанов. Распределительный вал для открытия выпускных клапанов приводится во вращение от коленчатого вала двигателя через шестерню или звездочку ременной или цепной передачи 1, а распределительный вал для открытия впускных клапанов через цепную передачу от звездочки установленной на распределительном вале привода выпускных клапанов 2.

Рис. Привод системы с изменение натяжения цепи по принципу гидравлического кольца:
1 – привод распределительного вала для выпускных клапанов; 2 – звездочка распределительного вала для привода выпускных клапанов; 3 – звездочка распределительного вала для привода впускных клапанов

В систему изменения фаз газораспределения масло поступает через отверстие в головке блока. Изменение потоков масла осуществляется управляющим клапаном 1, передвигающим золотник 2, по сигналам блока управления двигателем.

Рис. Устройство для изменения фаз газораспределения по натяжению цепи:
1 – управляющий клапан; 2 – золотник; 3 – звездочка привода впускных клапанов; 4,9 – натяжитель цепи; 5 – толкатель натяжителя цепи; 6 – полость для масла; 7 – звездочка привода выпускных клапанов; 8 – фиксатор стартовый; 10 – управляющий поршень

Для изменения фаз газораспределения впускных клапанов служит гидравлический цилиндр с поршнем 10. При подаче масла в цилиндр по сигналу блока управления поршень, выдвигаясь, воздействует на натяжитель цепи. Одна сторона цепи начинает удлиняться, а противоположная укорачиваться, при этом происходит поворот звездочки для привода впускных клапанов, не связанной цепной передачей с коленчатым валом. Управление подачей масла осуществляется с помощью клапана 1, управляемого электронным блоком управления. Указанная система имеет дискретный двухпозиционный диапазон изменения фаз газораспределения, так как давление масла, развиваемое штатным масляным насосом, изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, и может служить только для движения поршня в верхнее или нижнее положение. Такой принцип изменения фаз газораспределения имеют серийные двигатели фирм Ауди, Порше и Фольксваген.

В зависимости от сигнала блока управления масло направляется в каналы А или В. При неработающем двигателе изменения натяжения цепи не происходит, ввиду отсутствия давления масла на управляющий поршень 6. Стартовый фиксатор 4 при этом входит в паз канавки управляющего поршня и стопорит его, исключая колебания цепи. Распределительный вал в данном случае устанавливается на более позднее открытие клапанов, соответствующее увеличению мощности двигателя.

Рис. Схема подачи масла в устройство изменения фаз газораспределения:
а – позднее открытие клапанов; б – раннее открытие клапанов; 1 – возврат масла; 2 – подвод масла; 3 – продувочное и масляное отверстие; 4 – фиксатор стартовый; 5 – полость для масла; 6 – управляющий поршень; 7 – управляющие каналы

После запуска двигателя, когда давление масла начинает возрастать, оно воздействует на плоскость стартового фиксатора, преодолевая натяжение его пружины. Стартовый фиксатор освобождает управляющий поршень и он, передвигаясь, натягивает цепь, устанавливая фазы газораспределения в положение раньше или позже, соответствующее увеличению крутящего момента или мощности двигателя. При открытом управляющем канале А, масло воздействует на поршень сверху и он натягивает цепь вниз, устанавливая открытие клапанов в положение соответствующее большей мощности (позднее открытие клапанов).

При достижении частоты вращения коленчатого вала 1300 об/мин открывается канал В и масло воздействует на поршень снизу и он натягивает цепь вверх, устанавливая открытие клапанов в положение соответствующее большему крутящему моменту (раннее открытие клапанов).

Полость для масла служит для наполнения без давления плунжера натяжного устройства цепи нагнетательной полости при запуске двигателя. Это сказывается также положительно на шумовых свойствах при запуске двигателя. Отверстие 3 сверху полости для масла служит для вентиляции и смазки цепи.

В связи с все более повышающимися требованиями к уменьшению выбросов токсичных веществ с отработавшими газами в настоящее время разработаны устройства, которые могут из­менять фазы газораспределения во всем диапазоне возмож­ной частоты вращения коленчатого вала двигателя, как для впускных так и для выпускных клапанов, что позволяет регулировать количество остаточных отработавших газов в камере сгорания. Бесступенчатое изменение фаз газораспределения позволяет также улучшить работу двигателя на холостом ходу и полных нагрузках, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности. Для увеличения давления на поршень может применяться отдельный масляный насос. Применения высокого давления позволяет устанавливать более точное положение распределительного вала в зависимости от нагрузки двигателя.

Необходимый угол изменения фаз газораспределения выбирается в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала по полю параметрических характеристик. Отклонение необходимого угла поворота распределительного вала от истинного угла рассчитывается по алгоритму блока управления, согласно выданному значению которого, изменяется ток в клапане управления давлением масла. Клапан управления в свою очередь изменяет давление масла на исполнительный механизм, позволяющий поворачивать распределительный вал. Частота вращения коленчатого вала определяется индуктивными датчиками, установленными на коленчатом или распределительном валах, считывающими частоту вращения по зубчатым колесам, установленным на валах.

Распределительный вал привода впускных клапанов может поворачиваться и с помощью поршня.

Рис. Схема устройства изменения фаз газораспределения:
1 – головка блока; 2 – распределительный вал; 3 – звездочка привода распределительного вала; 4 – поршень; 5 – электромагнит; 6 – якорь-клапан; 7 – косозубые шлицы; а – поздние фазы; б – ранние фазы; в – соединение деталей устройства косозубыми шлицами

Устройство устанавливается на переднем конце распределительного вала, управляющего впускными клапанами.

При низких частотах вращения коленчатого вала обеспечивается позднее открытие впускных клапанов и минимальное перекрытие клапанов, что позволяет добиться минимально воз­можного обратного выброса отработавших газов во впускной канал, увели­чения крутящего момента и снижения расхода топлива. В этом положении якоря-клапана его вертикальный канал соединен с пространством с правой стороны поршня, так как электромагнит 5 устройства выключен. Поршень 4 отжат влево под воздействием пружины и давления масла, поступающего через якорь-клапан 6.

На высоких частотах по команде электронного блока управления двигате­лем включается электромагнит 5, сердечник кото­рого соединяет вертикальный канал с пространством с левой стороны поршня. Масло из центрального отверстия распределительного вала поступает под поршень 4, имеющий внутренние и наружные косые шлицы. Ответные шлицы име­ет конец вала и ступица звездочки цепи 3. Двигаясь в направ­лении «назад», поршень за счет шлицев обеспечивает сдвиг звездочки в окружном направлении относительно вала на 12…15° в сторону более раннего впуска. Это позволяет увели­чить крутящий момент двигателя на высоких частотах враще­ния. Подобные механизмы устанавлива­ются на (MERCEDES-BENZ, ALFA ROMEO и др.) с двумя верхними распределительными валами.

В конструкции двигателей БМВ применены принципы работы обоих вышеописанных способов изменения фаз газораспределения.

Рис. Бесступенчатое изменение фаз газораспределения фирмы БМВ:
1 – управляющий поршень; 2 – косозубая шестерня; 3 – прямозубая шестерня; 4 – натяжитель цепи

Косозубая шестерня 2 может перемещаться в продольном направлении при воздействии масла на управляющий поршень. Перемещаясь, она сдвигает в окружном направлении звездочку привода распределительного вала. Применение такой конструкции позволяет изменять фазы газораспределения не только для впускных (до 60°), но и для выпускных клапанов (до 46°).

Альтернативной вышеизложенным системам является более дешевая конструкция системы изменения фаз газораспределения, действующая с использованием гидроуправляемой муфтой.

Рис. Схема системы непрерывного изменения фаз газораспределения с гидроуправляемой муфтой:
1 – масляный насос; 2 –электронный блок управления двигателем; 3 – датчик Холла для распределительного вала привода выпускных клапанов; 4 – датчик Холла для распределительного вала привода впускных клапанов; 5 – распределительный вал для впускных клапанов; 6 – распределительный вал для выпускных клапанов; 7 – электрогидравлический распределитель распределительного вала для впускных клапанов; 8 – электрогидравлический распределитель распределительного вала для выпускных клапанов; 9 – рабочие полости; 10 – ротор; 11 – гидроуправляемая муфта; а – общая схема; б – поворот ротора относительно корпуса вправо; в – поворот ротора относительно корпуса влево

Рис. Общий вид системы непрерывного изменения фаз газораспределения с использованием лопастного гидравлического двигателя:

Привод состоит из двух частей – внутренней с закручивающимся ротором 10, связанной с распределительным валом и внешней 11, приводимой цепью или ременной передачей от коленчатого вала. Связь между обеими частями осуществляется с помощью масляной полости, в которой выступы ротора или лопасти поворачивают ротор влево или вправо. Одновременно с ротором поворачивается распределительный вал, на который навинчен ротор.

Давление масла в рабочей камере зависит от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и температуры двигателя. Положение распределительного вала относительно коленчатого вала во время работы двигателя может быть как переменным, так и постоянным (фиксированным). Питание рабочей полости осуществляется от системы смазки двигателя.

Жесткая связь между приводной звездочкой и ротором, связанным с распределительным валом, существует только во время запуска двигателя. Некоторые производители, например Ауди, при запуске двигателя блокируют ротор при запуске двигателя специальным плунжером, управляемым гидравлической системой, что позволяет установить распределительный вал привода впускных клапанов в положении наиболее благоприятного впуска топливовоздушной смеси. При наполнении масляной полости маслом, внутренняя и внешняя части привода разъединяются. При самом большом давлении масла распределительные валы поворачиваются в положение соответствующее наиболее позднему впуску горючей смеси и наиболее раннему выпуску отработавших газов.

Управляющий электрогидравлический распределитель 8 состоит из гидравлической части и электромагнита. Клапан установлен на корпусе распределительных валов и подключен к системе смазки двигателя. В цилиндре распределителя установлен золотник, перемещение которого приводит к изменению потоков масла. Управление положением золотника управляющего распределителя происходит по сигналу электронного блока управления 2. В зависимости от положения распределителя масло подается к гидроуправляемой муфте через один или через оба канала. Подключением того или иного канала производится перестановка ротора в положение «рано» или «поздно» или же он удерживается в определенном фиксированном положении.

Исходное положение золотника определяется натяжением возвратной пружины.

Диапазон перестановки распределительного вала составляет 40° по углу поворота коленчатого вала или 20° по углу поворота распределительных валов.

НЕКОММЕРЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "РУССКАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ ШКОЛА"

"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.

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.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ НА САЙТЕ Шатун служит связующим звеном между поршнем и кривошипом коленчатого вала. Так как поршень совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение, а коленчатый вал - вращательное, то шатун совершает сложное движение и подвергается действию знакопе... Идеальным циклом двигателя называется круговой замкнутый обратимый цикл, представляющий собой совокупность последова­тельных процессов, совершаемых идеальным газом в цилиндре идеальной машины. При идеальном цикле допускаются следующие отступления: 1)... В зимнее время водителя подстерегает множество проблем. В первую очередь они связаны с плохим запуском двигателя автомобиля. Для того чтобы решить данную задачу, специалисты советуют устанавливать специальные предпусковые подогреватели. Указанные уст...

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:

1. VANOS (Double VANOS) фирмы BMW;
2. VTC, Variable Timing Control от Honda;
3. VVT-i (Dual VVT-i), Variable Valve Timing with intelligence компании Toyota;
4. CVVT, Continuous Variable Valve Timing, установленных на автомобилях General Motors; Volvo, Hyundai и Kia;
5. VVT, Variable Valve Timing фирмы Volkswagen;
6. 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:

1. VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence компании Toyota;
2. VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control фирмы Honda;
3. Valvelift System от Audi;
4. 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.