Работа двигателя — его эффективность, мощность, крутящий момент и экономичность — зависит от многих факторов, включая время открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.
В обычном четырехтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (т.е. ширину фаз), а также подъем клапана.
В большинстве современных двигателей фазы не могут быть изменены. Другими словами, эти двигатели не очень эффективны. Это связано с тем, что поведение газов (горючей и отработавшей смеси) в цилиндре и во впускном и выпускном отверстиях меняется в зависимости от условий работы двигателя. Скорость потока постоянно меняется, возникают всевозможные колебания упругой газовой среды, приводящие к полезному резонансу или, наоборот, паразитным застойным явлениям. Следовательно, скорость и эффективность наполнения цилиндров варьируется при различных условиях работы двигателя.
Регулировка клапанов в поршневых ДВС
Регулировка клапанов в поршневых двигателях внутреннего сгорания — это открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов (окон). Временная синхронизация клапанов обычно выражается в градусах вращения коленчатого вала и обозначается со ссылкой на моменты начала или окончания отдельных тактов.
Так, например, для холостого хода подходит узкий фазировка клапанов с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия (фазировка одновременного открытия впускных и выпускных клапанов). Почему? Поскольку это предотвращает попадание выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.
Тюнеров часто беспокоит сдвиг фазы при использовании комбинированной шестерни. Замена оригинального распредвала на «спортивный» распредвал с другой фазировкой позволяет добиться значительного увеличения мощности.
При работе на максимальной мощности ситуация кардинально меняется. Время открытия клапанов, естественно, сокращается по мере увеличения оборотов, но для достижения более высокого крутящего момента и мощности через цилиндры должно проходить значительно больше газа, чем на холостом ходу. Как решить такую сложную задачу? Откройте клапаны немного раньше и увеличьте время открытия, другими словами, сделайте фазы как можно шире. В то же время, чем выше обороты, тем шире фаза открытия клапанов для лучшей промывки цилиндров.
Технология VTEC (Variable Valve Timing and Electronic Control)
Технология VTEC (Variable Valve Timing and Electronic Control), как и технология VVT-I (Variable Valve Timing with Intelligence) от Toyota, позволяет изменять фазы газораспределения с помощью гидравлически управляемого узла переменной фазы газораспределения. Это достигается путем поворота впускного распределительного вала относительно выпускного распределительного вала в диапазоне от 40° до 60° (на основе угла поворота коленчатого вала).
Поэтому при разработке и совершенствовании двигателей конструкторам приходится согласовывать множество взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Судите сами. При одинаковых фиксированных фазах двигатель должен иметь достаточно хорошую тягу на низких и средних оборотах, приемлемую мощность — на высоких оборотах. Кроме того, он должен стабильно работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Какая задача!
Конструкторы уже давно занимаются решением подобных проблем и способны изменить характеристики двигателя до неузнаваемости путем смещения и изменения ширины фаз газораспределения клапанов. Увеличить крутящий момент? Пожалуйста. Больше мощности? Нет проблем. Снизить потребление? Нет проблем. Правда, иногда приходится жертвовать другими ради улучшения одного показателя.
Система Doppel-VANOS (Doppel Variable Nockenwellen Steuerung)
Система Doppel-VANOS (Doppel Variable Nockenwellen Steuerung) от BMW переключает фазы непрерывно от начала до конца. Система гидравлически управляет фазами впуска и выпуска.
Что если бы распредвал можно было научить адаптироваться к различным оборотам двигателя? Легко. Для этого было придумано несколько способов. Один из них заключается в использовании фазовращателя — специальной муфты, которая под воздействием управляющей электроники и гидравлики способна поворачивать распределительный вал на определенный угол относительно его исходного положения. Чаще всего он устанавливается на стороне всасывания. При увеличении оборотов сцепление вращает вал в направлении вращения, что приводит к более раннему открытию впускных клапанов и, следовательно, лучшему наполнению цилиндров на более высоких оборотах.
Механизм ГРМ 3,2-литровой «шестерки» FSI компании Audi имеет цепной привод со стороны маховика. Каждый распределительный вал имеет свой модуль переменной фазы.
Но неуемные инженеры на этом не остановились и разработали целый ряд систем, которые могут не только сдвигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может быть достигнуто несколькими способами. Например, в системе Toyota VVTL-i при достижении определенных оборотов (6 000 об/мин) вместо обычного кулачка начинает работать дополнительный кулачок с измененным профилем. Этот профиль кулачка дает другой подъем клапана, более широкое фазирование и, кстати, более длинный подъем. Когда коленчатый вал поднимается до максимальной частоты вращения (около 8500 об/мин) при 6000-6500 об/мин, двигатель как бы обретает второе дыхание, что может дать автомобилю толчок мощности при ускорении.
Система Valvetronic обходится без дроссельной заслонки и изменяет открытие и фазы клапана. Он используется в двигателях BMW с 2001 года. Подъем клапана изменяется с помощью электродвигателя и сложного кинематического механизма в диапазоне 0,2-12 мм.
Изменение момента открытия и времени открытия — это здорово. Но что, если мы попытаемся изменить лифт? В конечном итоге он избавляется от дроссельной заслонки и передает управление двигателем клапанному механизму.
Система от немецкой компании Mahle
Что не так с дроссельной заслонкой? Это ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. На самом деле, при работе двигателя на закрытой дроссельной заслонке во впускном канале возникает большое разрежение. Что является причиной этого? Высокая инерционность разбавленной газообразной среды (топливно-воздушной смеси), снижение качества наполнения цилиндров свежим зарядом, снижение КПД и уменьшение реакции педали акселератора.
Система VEL (Variable Valve Event and Lift System)
Система VEL (Variable Valve Event and Lift System), разработанная компанией Nissan, аналогична баварской Valvetronic. Эксцентриковый привод, приводимый в действие электродвигателем, перемещает точку поворота рычага клапана, тем самым изменяя подъем клапана. Подъем колеблется от 0,5 до 2 мм.
Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только до тех пор, пока это необходимо для правильного заполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъемом впускного клапана. В этих системах подъем и, следовательно, продолжительность фазы впуска изменяется в зависимости от давления на педаль акселератора. Согласно различным данным, экономия от бездроссельного управления может составлять от 8 % до 15 %, а прирост мощности и крутящего момента — от 5 % до 15 %. Но и это не последний предел.
Так работает «трехступенчатая» система i-VTEC (Intelligent Variable Valve Timing and Lift Electronic Control). На низких скоростях топливо экономится, поскольку половина впускных клапанов практически отключена. На средних частотах ранее спящие клапаны вновь активизируются, но их амплитуда не максимальна. При настройке мощности впускные клапаны начинают работать от одного центрального кулачка. Этот кулачок был сформирован для максимального подъема и специально разработан для работы на высокой мощности. Потоки регулируются гидравлически и электронно.
Даже если количество и размер клапанов сделать как можно больше, эффективность наполнения и продувки цилиндров можно еще больше увеличить. Как? По скорости открытия клапанов. Как и положено, механический привод здесь уступает только электромагнитному.
Осенью 2007 года Toyota начнет выпуск двигателей с изменяемым фазами газораспределения Valvematic, которые будут изменять не только фазы газораспределения, но и шаг впускных клапанов. Не секрет, что многие производители уже давно используют такие системы. Но Toyota впервые вводит такую систему в серию. Мощность двухлитрового атмосферного двигателя 1AZ-FE была увеличена со 152 до 158 лошадиных сил, а крутящий момент — со 194 до 196 Нм благодаря новому механизму распределения.
Электромагнитный привод управления ГРМ
В чем еще один плюс электромагнитного привода? Закон (ускорение в любой момент времени) подъема клапана может быть отрегулирован до совершенства, а время открытия клапана может быть изменено в очень широком диапазоне. Электроника, в соответствии с заданной программой, может периодически закрывать ненужные клапаны или полностью отключать цилиндр. Почему? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении с постоянной скоростью или при торможении двигателем. Что касается режимов — во время работы электромагнитный синхронизатор может преобразовать обычный четырехтактный двигатель в шеститактный. Интересно, скоро ли такие системы появятся на Транспортере?
Это рабочая схема механизма VVTL-i, предлагаемого компанией Toyota. Здесь высота подъема и время открытия двух впускных клапанов изменяются скачком. Когда двигатель работает при частоте вращения коленчатого вала до 6 000 об/мин, высота подъема и время открытия обоих клапанов устанавливаются кулачком (1), который воздействует на оба клапана через коромысло (5). Выше 6 000 об/мин подъем клапана определяется более высоким кулачком (2). Чтобы привести его в действие, необходимо переместить вытеснительный штифт (3) вправо (на него действует давление масла, которое в нужный момент поднимается в линии управления). Как только сушилка переместится вправо, кулачок (2) приводит в действие клапаны через кулачковый механизм (4), который до этого свободно качался, с помощью рычага.
Прототип четырехцилиндрового двигателя с электромагнитным приводом клапанов и непосредственным впрыском был разработан компанией BMW. Здесь количество воздуха, поступающего в цилиндр, контролируется моментом открытия клапана, ход поршня — нет. Подпружиненный клапан находится между двумя мощными соленоидами, которые предназначены для его удержания только в крайних положениях. Для предотвращения ударных нагрузок клапан тормозится при каждом приближении к конечному положению. Положение и скорость движения клапана регистрируются специальным датчиком.
Дальнейшее повышение эффективности двигателя с помощью ремня ГРМ, вероятно, уже невозможно. Выжать больше мощности и крутящего момента из того же рабочего объема при меньшем расходе топлива можно будет только другими способами. Например, комбинированный наддув или конструкции, изменяющие степень сжатия, различные виды топлива. Но это уже другая история.
Источник: drive.ru
