Изменяемые фазы газораспределения: / Variable Valve Timing, VVT

Фазы газораспределения двигателя автомобиля — что это такое и диаграмма

Работа двигателя автомобиля зависит от фаз газораспределения, то есть от открытия — закрытия впускных и выпускных клапанов. Расскажем что такое фазы газораспределения и покажем диаграмму работы. Зачем нужны и как увеличить мощность авто при помощи них.

Что это такое

Фаза газораспределения — это период от момента открытия клапанов до момента их закрытия. Выражается в градусах поворота коленчатого вала. Их задача — обеспечить наивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От оптимально подобранных фаз зависит экономичность мотора, мощность, развиваемый момент.

Влияние на работу мотора

В большинстве двигателей фазы меняться не могут. КПД таких моторов не отличается высокой эффективностью. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

Для работы на холостом ходу уместны узкие фазы с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия (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 машины.

При работе на максимальной мощности ситуация меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов сокращается, но для обеспечения высокого крутящего момента через цилиндры необходимо прогнать больший объём газов, чем на холостом ходу. Как решить эту задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими.

При разработке двигателей авто конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований. Посудите сами. С одними и теми же фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. Плюс устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным, экологичным.

Изменяемые фазы газораспределения

Если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы мотора?

Один из способов это применение фазовращателя. Это специальная муфта, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов. Как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

Инженеры разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами.

Например, система VVTL-i после достижения 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 обеспечивает больший ход. При раскрутке коленвала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000—6500 об/мин у двигателя открывается «второе дыхание». Оно способно придать автомобилю резкий подхват при ускорении.

Изменение высоты подъёма

Такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет от 8% до 15%, прирост мощности в пределах 5—15 %.

Несмотря на то, что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать выше — за счёт скорости их открытия. Правда, механический привод заменяется электромагнитным.

Электромагнитный привод

Подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия менять в очень широких пределах. Электроника согласно программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем. Электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный.

Дальнейшее увеличение эффективности работы мотора автомобиля за счёт ГРМ — невозможно. Выжать больше мощности с того же объёма при меньшем расходе можно будет с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия.

Что такое система изменения фаз газораспределения

Эффективность работы любого ДВС, КПД двигателя, показатель мощности, моментная характеристика и топливная экономичность напрямую зависят от ряда факторов. Одной из важных составляющих в списке являются фазы газораспределения. Ответить на вопрос, что такое фазы газораспределения двигателя, можно следующим образом. Под такими фазами стоит понимать своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов.

Большинство современных ДВС все более активно получают систему изменения фаз газораспределения, хотя еще около 20 лет назад массово доступный четырехтактный двигатель данной системы не имел. В обычном моторе клапаны открываются благодаря воздействию на них кулачков распределительного вала. Форма профиля кулачка распредвала определяет момент и продолжительность открытия клапана.

Указанные параметры составляют так называемую ширину фазы газораспределения.  Дополнительным параметром также является величина хода клапана (высота его подъема). Стоит учитывать, что топливно-воздушная смесь и отработавшие газы во впуске, в цилиндре ДВС и на выпуске ведут себя не одинаково, что зависит от различных режимов его работы. Скорость течения динамично изменяется, появляются колебания газовых сред, которые приводят к резонансам или застою. Все это влияет на эффективность наполнения цилиндров и их продувки на разных режимах работы силового агрегата.

Фиксированные фазы газораспределения заставляют конструкторов ДВС проектировать мотор так, чтобы присутствовала уверенная тяга в диапазоне низких и средних оборотов, но при этом оставался запас мощности для поддержания набранной скорости и дальнейшего ускорения автомобиля при выходе ДВС на режимы около зоны максимальных оборотов.

Дополнительно необходимо обеспечить устойчивую работу силового агрегата на холостом ходу, эластичность на переходных режимах, а также экономичность и экологичность силовой установки. Если фазы газораспределения фиксированы, то улучшение одних параметров закономерно повлечет ухудшение других. Для решения этой задачи была разработана система изменения фаз газораспределения, которая гибко и динамично изменяет основные параметры работы ГРМ зависимо от того режима, в котором работает двигатель в определенный момент.

Система изменения фаз газораспределения VVT (англ. Variable Valve Timing) создана для динамичной корректировки рабочих параметров механизма газораспределения. Данное управление осуществляется с учетом различных режимов работы силового агрегата. Использование указанной системы регулировки фаз газораспределения позволяет добиться повышения мощности мотора и моментной характеристики. Система VVT обеспечивает экономию горючего, а также снижает токсичность выхлопных газов в процессе работы двигателя.

Система изменения фаз газораспределения влияет на основные параметры работы газораспределительного механизма. К таким параметрам относят моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, длительность времени открытия клапана и высоту его подъема. Указанные параметры представляют собой в итоге фазы газораспределения, так как от них зависит продолжительность такта впуска и выпуска, что выражается тем углом, на который повернут коленчатый вал двигателя по отношению к мертвым точкам (ВМТ и НМТ) во время движения поршня в цилиндре. Форма кулачка распределительного вала определяет фазу газораспределения, так как указанный кулачок оказывает прямое воздействие на впускной или выпускной клапан ГРМ.

Содержание статьи

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;

Система на основе гидроуправляемой муфты

Широкое распространение получили системы изменения фаз газораспределения, принцип работы которых основан на осуществлении поворота распредвала. К таким схемам управления фазами газораспределения относят: японскую систему VVT-i, Dual VVT-i, решение немецкого концерна BMW под названием VANOS, Double VANOS, схему VVT от Volkswagen, управление фазами газораспределения VTEC от Honda, систему CVVT брендов Hyundai, Kia и концерна GM, регулировку фаз VCP от Renault и т.д.

Работа указанных выше систем основывается на небольшом повороте распредвала по ходу его вращения. Такой способ позволяет добиться раннего открытия клапанов сравнительно с их базовым начальным положением. Данный тип систем изменения фаз газораспределения конструктивно состоит из специальной муфты, которая управляется гидравлическим способом, а также дополнительной системы управления указанной муфтой. Гидроуправляемая муфта среди автомехаников получила название фазовращатель.

Поворот распредвала осуществляется при помощи электроники управления и гидравлики, а сама система чаще всего затрагивает только впускные клапаны. Рост оборотов ДВС приводит к тому, что фазовращатель осуществляет проворот распредвала по ходу его вращения, впускные клапана открываются раньше и цилиндры намного более эффективно наполняются рабочей смесью в режиме высоких оборотов.

Получается, гидроуправляемая муфта реализует поворот распредвала ГРМ. Данная муфта конструктивно включает в себя:

• ротор, который соединен с распредвалом;
• корпус, которым выступает шкив привода распредвала;

В определенные полости, которые расположены между ротором и корпусом-шкивом, попадает моторное масло из системы смазки ДВС. Масло в муфту подается по особым каналам. Когда моторное масло заполняет одну или другую полость муфты, осуществляется поворот ротора по отношению к корпусу. Этот поворот ротора означает, что и распределительный вал будет повернут на необходимый угол.

Чаще всего местом установки гидроуправляемой муфты становится привод того распределительного вала, который отвечает за работу впускных клапанов. Встречаются также конструкции ДВС, когда подобные муфты-фазовращатели стоят как на впускном распредвале, так и на выпускном. Данное решение позволяет  шире и эффективнее регулировать параметры работы ГРМ на впуске и выпуске, но усложняет механизм.

Электронное управление автоматически регулирует работу гидроуправляемой муфты. Система такого управления включает в себя:

• группу входных датчиков;
• электронный блок управления;
• список исполнительных устройств;

Система управления получает показания от датчика Холла, который производит оценку положения распредвалов. Дополнительно задействованы  и другие датчики, которые используются ЭБУ для управления работой всего двигателя.

К таковым относят датчик, измеряющий частоту вращения коленвала, температурный датчик охлаждающей жидкости (ОЖ), датчик расхода воздуха и другие. Сигналы от этих датчиков подаются в ЭБУ, который после отправляет соответствующий сигнал на  специальное управляющее (исполнительное) устройство.

Таким устройством, на которое воздействует электронный блок управления двигателем, является электромагнитный клапан (электрогидравлический распределитель). Клапан представляет собой распределитель, который при необходимости открывает доступ потоку моторного масла к гидроуправляемой муфте, а также реализует отвод масла от фазовращателя. Это зависит от того, в каком режиме работает силовой агрегат.

Данная схема изменения фаз газораспределения с использованием муфты задействуется в момент работы двигателя на холостом ходу, (мотор работает на самых низких оборотах), в режиме максимальной мощности на высоких оборотах, а также в том режиме, когда осуществлен выход ДВС на максимум крутящего момента.

Система ступенчатого изменения фаз газораспределения

Эволюция систем изменения фаз газораспределения позволила инженерам не только осуществлять сдвиг фаз, но и эффективно выполнять их расширение и сужение. Следующим типом систем изменения фаз газораспределения являются решения, основанные на использовании кулачков  распредвала разной формы. Благодаря такому способу удается достичь ступенчатого изменения момента времени, на который открывается клапан, а также изменить саму высоту подъема клапанов. В списке подобных систем находится VVTL-i от автогиганта Toyotа, VTEC японской Honda и MIVEC от Mitsubishi, решение от Audi под названием Valvelift System и другие.

Указанные системы похожи друг на друга как конструктивно, так и по принципу действия. Немного отличается только немецкая Valvelift System. Наибольшую известность получила системаVVTL-i, VTEC и MIVEC. В основе таких систем изменения фаз газораспределения находятся кулачки с различным профилем, а также система управления.  Распределительный вал в таких системах управления фазами газораспределения выполнен так, что имеет сразу два кулачка малого размера, а также один кулачок большего размера. Меньшие кулачки при помощи специального рокера (коромысла) соединяются с впускными клапанами. Большой кулачок отвечает за перемещение одного незадействованного коромысла.

Такая система изменения фаз газораспределения позволяет переключаться с малых кулачков на большой зависимо от режима работы ДВС. Переход между режимами достигается благодаря тому, что происходит срабатывание специального механизма блокировки. Указанный блокирующий механизм основан на гидравлическом приводе.

Когда мотор работает на низких оборотах и при незначительной нагрузке, впускные клапаны приводятся в действие малыми кулачками распределительного вала, фазы газораспределения  в таком режиме имеют небольшую продолжительность (узкая фаза).

Если двигатель раскручивается до определенных оборотов, система управления активирует механизм блокировки. В результате происходит соединение коромысел малых и большого кулачков, что обеспечивает жесткость конструкции. Соединение происходит при помощи особого стопорного штифта, а усилие на впускные клапаны начинает поступать от единственного большого кулачка. Малые кулачки распредвала на высоких оборотах двигателя становятся неактивными.

Существующие разновидности систем VTEC могут иметь сразу три режима регулирования ГРМ. В данной модификации на низких оборотах ДВС работает один малый кулачок распредвала, который осуществляет открытие только одного впускного клапана. Два маленьких кулачка задействуются в режиме средних нагрузок и оборотов двигателя, обеспечивая открытие двух впускных клапанов. Большой кулачок вступает в действие при выходе силовой установки на режим оборотов, приближенных к максимальным.

Система изменения фаз газораспределения I-VTEC, которая представлена производителем Honda, объединила в себе главные преимущества решений как VTC, так и VTEC. Регулирование по трем ступеням обеспечивает существенную экономию топлива. При низкой частоте вращения половина впускных клапанов практически не имеет активности. Увеличение частоты вращения до уровня средних оборотов подключает дезактивированные клапаны, но высота их подъема не подразумевает полного открытия.

Выход на режим максимальных оборотов заставляет впускные клапаны работать от центрального кулачка большого размера. Указанный кулачок имеет особый профиль, который специально подобран для достижения максимального подъема клапанов, что означает повышение отдачи от ДВС на мощностных режимах работы агрегата. Такой подход значительно расширил возможности управления параметрами ГРМ для эффективного регулирования работы двигателя на различных режимах.

Если рассмотреть пример с системой VVTL-i от Toyota, то после выхода мотора с таким решением на обороты около 6000 об/мин стандартный кулачек распредвала исключается из работы и замещается кулачком с измененным профилем. Указанный кулачек обеспечивает дугой алгоритм работы клапана, сдвигает (расширяет) фазу и увеличивает высоту его подъема. На практике это будет означать, что при выходе мотора на режим высоких оборотов у двигателя появится резкий прирост тяги, необходимый для обеспечения дальнейшего уверенного разгона.

Схема работы системы VVTL-i строится на следующем алгоритме. Время открытия и высота подъема впускных клапанов регулируется аналогично другим решениям. Когда мотор работает в режиме оборотов до 6000 об/мин, тогда воздействие на клапан осуществляет меньший кулачок распредвала, который оказывает нажатие на рокер и таким образом открывает клапана. После набора оборотов выше заданной отметки управлять открытием клапанов начинает высокий кулачок с особым профилем. Для его активации специальный сухарь под давлением масла перемещается.

За своевременную подачу моторного масла по специальной магистрали в точно необходимый момент отвечает система управления. Давление масла и перемещение сухаря позволяет кулачку распредвала через специальный шток, который до этого находился в свободном положении, начать воздействовать на клапан посредством коромысла.

Система регулирования высоты подъема клапана

Дальнейшее развитие систем изменения фаз газораспределения привело к появлению сложных решений, которые основаны на управлении высотой подъема клапанов. Новатором в данной области стала компания BMW, представившая систему под названием Valvetronic на своих моторах в 2001 году.

Регулирование высоты подъема клапана дополнительно позволило исключить из схемы дроссельную заслонку применительно к основным режимам работы ДВС. Наличие заслонки заметно снижает эффективность наполнения цилиндров топливно-воздушной смесью в режиме низких и средних оборотов. Причина кроется в том, что во впускном коллекторе (в области дросселя) в процессе работы ДВС возникает разрежение. Топливно-воздушная смесь в таких условиях разрежения становится инертной, цилиндры наполняются менее эффективно, реакция на нажатие педали газа теряет остроту и становится замедленной.

Лучшим решением данной проблемы становится механическое открытие впускного клапана на такой момент времени, который необходим для эффективного наполнения цилиндра рабочей топливно-воздушной горючей смесью. Продолжительность фазы впуска (впускной фазы) в системах регулирования высоты подъема клапана изменяется зависимо от того, как сильно была нажата педаль газа. Система бездроссельного управления позволяет заметно экономить топливо (до 15% сравнительно с другими решениями), а также повышает мощностную характеристику на 10 % и более.

Конструктивно ГРМ в таких системах способен управлять работой силовой установки на разных режимах. На похожем принципе основываются также решения Valvematic от Toyota, решение VEL компании Nissan, VTI от Peugeot и другие. Что касается системы изменения высоты подъема клапана Valvetronic, возможность управления данным параметром реализована благодаря специальной кинематической схеме. Решение Valvetronic ставится на впускные клапаны. Традиционная конструкция, которая включает в себя кулачок распредвала, рокер (коромысло) и клапан, получила развитие в виде установки дополнительных элементов.

 

Система имеет эксцентриковый вал, а также промежуточный рычаг. Указанный эксцентриковый вал начинает вращаться при помощи усилия, которое создает электродвигатель посредством червячной передачи.

Такое вращение эксцентрикового вала оказывает воздействие на промежуточный рычаг, в результате чего изменяется его положение (происходит смещение точки опоры). Смена положения заставляет коромысло двигаться так, чтобы переместить (открыть) клапан точно на необходимую величину.

Система изменения высоты подъема клапана работает постоянно, а высота подъема клапанов напрямую зависит от того или иного режима работы силового агрегата. Клапана могут подниматься в переделах от 0,2 до 12 мм. Система VEL от компании Ниссан обеспечивает высоту подъема клапана в рамках от 0,5 до 2 мм.

Электромагнитный привод клапана

Сегодня конструкторы ДВС практически полностью используют потенциал ГРМ. Проектируется максимально возможное количество клапанов на цилиндр, а сами размеры клапана достигли своего предела. Но эволюция двигателя на данном этапе продолжается. Улучшить наполняемость и продувку цилиндров двигателя можно также за счет скорости, с которой возможно реализовать открытие и закрытие клапанов. Речь идет о ГРМ, в котором клапана имеют электромагнитный (электромеханический) привод, который заменяет механический с электронным управлением. Более того, распределительный вал в таком ГРМ полностью отсутствует.

Электромагнитный привод ГРМ получил название EVA (англ. Electromagne­tic Valve Actuator) и позволяет изменять фазы газораспределения максимально широко. Система с электромагнитным приводом может открывать только нужные клапана (что аналогично управляемому отключению цилиндров), причем делать это в точно определенный момент зависимо от режима работы ДВС. Решение способно экономить топливо на холостом ходу, в момент торможения двигателем и т.п. Количество попадающего в цилиндр двигателя воздуха регулируется временем открытия впускного клапана.

 

Сама длина хода клапана не является регулируемым параметром. Клапан крепится за счет пружины, а также имеет якорь. Такой якорь электромагнитного клапана размещен между двумя электромагнитами определенной мощности. Задачей таких электромагнитов становится удержание клапана в том или ином крайнем положении.

Точность положения, в котором необходимо осуществить фиксацию клапана, определяется предназначенным для этого отдельным датчиком. Снижение  разрушительных нагрузок на электромагнитный ГРМ в момент приближения клапана к его крайней точке (особенно в момент посадки клапана в седло) осуществляется благодаря «торможению» клапана.

Читайте также

Системы изменения фаз газораспределения | Газораспределительный механизм (ГРМ)

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 двигателях (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.

В настоящее время системы непрерывного изменения фаз газораспределения применяются на двигателях Ауди, Фольксваген, Тойота, Рено, Вольво и др.

Изменяемые фазы газораспределения

Пользователи также искали:

фазы распредвала, сбиты фазы газораспределения, теория двс фазы газораспределения, фазы, газораспределения, двигателя, Изменяемые, как настроить фазы газораспределения, теория двс фазы газораспределения, фазы распредвала, проверить, сбиты фазы газораспределения, сбиты, влияние, работу, тактного, теория, система, изменения, мерседес, распредвала, настроить, Изменяемые фазы газораспределения, как проверить фазы газораспределения, фазы газораспределения и их влияние на работу двигателя, система изменения фаз газораспределения мерседес, фазы газораспределения 4 — х тактного двигателя, фазы газораспределения — х тактного двигателя, изменяемые фазы газораспределения,

. ..

Регулируемые фазы газораспределения — Variable valve timing

Головка блока цилиндров Honda K20Z3 . В этом двигателе используется бесступенчатая синхронизация впускных клапанов.

В двигателях внутреннего сгорания , фазы газораспределения ( VVT ) представляют собой процесс изменения временных характеристик клапана случае подъем, и часто используются для повышения производительности, экономии топлива или выбросов. Он все чаще используется в сочетании с системами регулируемого подъема клапана . Этого можно добиться разными способами, от механических устройств до электрогидравлических и бескулачковых систем. Все более строгие нормы выбросов заставляют многих производителей автомобилей использовать системы VVT.

В двухтактных двигателях используется система гидрораспределителей для получения результатов, аналогичных VVT.

Справочная теория

Клапаны в двигателе внутреннего сгорания используются для управления потоком впускных и выхлопных газов в камеру сгорания и из нее . Выбор времени, продолжительности и подъема этих клапанов оказывает значительное влияние на характеристики двигателя . Без изменения фаз газораспределения или переменного подъема клапана фазы газораспределения одинаковы для всех скоростей и условий двигателя, поэтому необходимы компромиссы. Двигатель, оснащенный системой приведения в действие с изменяемой фазой газораспределения, освобожден от этого ограничения, что позволяет улучшить характеристики во всем рабочем диапазоне двигателя.

В поршневых двигателях обычно используются клапаны , приводимые в действие распределительными валами . Кулачки открывают ( поднимают ) клапаны на определенное время ( продолжительность ) во время каждого цикла впуска и выпуска. Время открытия клапана и закрытие, по отношению к положению коленчатого вала, имеет важное значение. Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом через зубчатые ремни , шестерни или цепи .

При работе на высоких оборотах двигателю требуется большое количество воздуха. Однако впускные клапаны могут закрываться до того, как в каждую камеру сгорания поступит достаточно воздуха, что снижает производительность. С другой стороны, если распределительный вал держит клапаны открытыми в течение более длительных периодов времени, как в случае с гоночным кулачком, проблемы начинают возникать на более низких оборотах двигателя. Открытие впускного клапана при открытом выпускном клапане может привести к выходу несгоревшего топлива из двигателя, что приведет к снижению производительности двигателя и увеличению выбросов.

Непрерывный против дискретного

Ранние системы изменения фаз газораспределения использовали дискретную (ступенчатую) регулировку. Например, один тайминг будет использоваться ниже 3500 об / мин, а другой — выше 3500 об / мин.

Более продвинутые системы «непрерывной регулировки фаз газораспределения» предлагают непрерывную (бесконечную) регулировку фаз газораспределения. Таким образом, синхронизация может быть оптимизирована для соответствия любым оборотам двигателя и условиям.

Фазирование кулачка в сравнении с переменной продолжительностью

Самая простая форма VVT — это фазировка распредвала , при которой фазовый угол распределительного вала поворачивается вперед или назад относительно коленчатого вала. Таким образом, клапаны открываются и закрываются раньше или позже; однако подъем и продолжительность распредвала не могут быть изменены только с помощью системы фазирования распредвала.

Достижение переменной продолжительности в сложной системе VVT, такой как несколько профилей кулачков

Типичный эффект корректировки времени

Позднее закрытие впускного клапана (LIVC) Первый вариант непрерывной регулировки фаз газораспределения предполагает удерживание впускного клапана открытым немного дольше, чем в традиционном двигателе. Это приводит к тому, что поршень фактически выталкивает воздух из цилиндра и обратно во впускной коллектор во время такта сжатия. Выбрасываемый воздух заполняет коллектор с более высоким давлением, и при последующих тактах всасывания всасываемый воздух находится под более высоким давлением. Было показано, что позднее закрытие впускного клапана снижает насосные потери на 40% в условиях частичной нагрузки и снижает выбросы оксида азота ( NOx ) на 24%. Пиковый крутящий момент двигателя снизился всего на 1%, а выбросы углеводородов остались без изменений.

Раннее закрытие впускного клапана (EIVC) Другой способ уменьшить насосные потери, связанные с низкими оборотами двигателя, в условиях высокого вакуума, — это закрыть впускной клапан раньше, чем обычно. Это включает в себя закрытие впускного клапана в середине такта впуска. Требования к воздуху / топливу настолько низки в условиях низкой нагрузки, а работа, необходимая для заполнения цилиндра, относительно высока, поэтому раннее закрытие впускного клапана значительно снижает насосные потери. Исследования показали, что раннее закрытие впускного клапана снижает насосные потери на 40% и увеличивает экономию топлива на 7%. Это также снизило выбросы оксида азота на 24% в условиях частичной нагрузки. Возможным недостатком досрочного закрытия впускного клапана является то, что оно значительно снижает температуру камеры сгорания, что может увеличить выбросы углеводородов.

Раннее открытие впускного клапана Раннее открытие впускного клапана — еще один вариант, который имеет значительный потенциал для сокращения выбросов. В традиционном двигателе для контроля температуры цилиндра используется процесс, называемый перекрытием клапанов. При преждевременном открытии впускного клапана часть инертного / сгоревшего выхлопного газа будет обратно выходить из цилиндра через впускной клапан, где он на мгновение охлаждается во впускном коллекторе. Затем этот инертный газ заполняет цилиндр на последующем такте впуска, что помогает контролировать температуру цилиндра и выбросы оксида азота. Это также улучшает объемный КПД, потому что на такте выпуска выхлопных газов меньше.

Раннее / позднее закрытие выпускного клапана Время раннего и позднего закрытия выпускного клапана можно изменять для снижения выбросов. Обычно выпускной клапан открывается, и выхлопной газ выталкивается из цилиндра в выпускной коллектор поршнем по мере его движения вверх. Управляя синхронизацией выпускного клапана, инженеры могут контролировать, сколько выхлопных газов осталось в цилиндре. Удерживая выпускной клапан открытым немного дольше, цилиндр опорожняется больше и готов к заполнению большим количеством воздуха / топлива на такте впуска. Если закрыть клапан немного раньше, в цилиндре остается больше выхлопных газов, что увеличивает топливную экономичность. Это позволяет более эффективно работать в любых условиях.

Вызовы

Основным фактором, препятствующим широкому использованию этой технологии в серийных автомобилях, является возможность создания рентабельных средств управления фазами газораспределения в условиях, внутренних для двигателя. Двигатель, работающий со скоростью 3000 оборотов в минуту, будет вращать распределительный вал 25 раз в секунду, поэтому изменения фаз газораспределения должны происходить в точное время, чтобы обеспечить преимущества в производительности. Электромагнитные и пневматические бескулачковые приводы клапанов обеспечивают наилучший контроль точной синхронизации клапанов, но в 2016 году они не являются рентабельными для серийных автомобилей.

История

Паровые двигатели

История поиска метода переменной длительности открытия клапана восходит к возрасту паровых двигателей , когда продолжительность открывания клапана упоминались как «паровая отсечка ». The клапанного механизм Stephenson , как он используется на ранних паровозах, поддерживается переменная отсечка , то есть изменяется на время, в которое подача пара в цилиндры прекращается во время рабочего хода.

Ранние подходы к вариациям отсечки впуска в сочетании с вариациями отсечки выхлопа. Отсечка впуска и выпуска была связана с разработкой клапана Corliss . Они широко использовались в стационарных двигателях с постоянной скоростью и переменной нагрузкой, с отсечкой впуска и, следовательно, крутящим моментом, механически регулируемым центробежным регулятором и управляющими клапанами .

Когда стали использоваться тарельчатые клапаны, стала использоваться упрощенная клапанная передача с распределительным валом . С такими двигателями переменная отсечка могла быть достигнута с помощью кулачков с переменным профилем, которые сдвигались вдоль распределительного вала с помощью регулятора. Serpollet steamcars произвел очень горячий пар под высоким давлением, что требует тарельчатых клапанов, и они использовали запатентованный скользящий механизм распределительного вала, который не только варьировался впускной запорным клапан , но позволил двигателю быть отменено.

Самолет

Ранний экспериментальный двигатель Clerget V-8 мощностью 200 л.с. из 1910-х годов использовал скользящий распределительный вал для изменения фаз газораспределения. Некоторые версии радиального двигателя Bristol Jupiter начала 1920-х годов включали механизм изменения фаз газораспределения, в основном для изменения фаз газораспределения впускных клапанов в связи с более высокими степенями сжатия. Двигатель Lycoming R-7755 имел систему изменения фаз газораспределения, состоящую из двух кулачков, выбираемых пилотом. Один для взлета, преследования и побега, другой для экономичного плавания.

Автомобильная промышленность

Желательность иметь возможность изменять продолжительность открытия клапана в соответствии с частотой вращения двигателя впервые стала очевидной в 1920-х годах, когда максимально допустимые пределы оборотов в минуту начали расти. Примерно до этого времени обороты холостого хода двигателя и его рабочие обороты были очень похожи, а это означало, что не было необходимости в переменной продолжительности работы клапана. Впервые регулируемые фазы газораспределения использовались на автомобилях Cadillac Runabout и Tonneau 1903 года, созданных компанией Alanson Partridge Brush. Патент 767 794 «ВПУСКНОЙ КЛАПАН ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ», зарегистрированный 3 августа 1903 года и предоставленный 16 августа 1904 года. Некоторое время до 1919 года Лоуренс. Помрой, главный конструктор Vauxhall, разработал двигатель объемом 4,4 л для предлагаемой замены существующей модели 30-98, которая будет называться H-Type. В этом двигателе единственный верхний распределительный вал должен был перемещаться в продольном направлении, чтобы обеспечить включение различных кулачков распределительного вала. Первые патенты на открытие клапана с регулируемой продолжительностью стали появляться в 1920-х годах — например, патент США US Patent 1 527 456 .

В 1958 году Porsche подала заявку на получение немецкого патента, который также был подан и опубликован как британский патент GB861369 в 1959 году. В патенте Porsche использовался качающийся кулачок для увеличения подъема клапана и продолжительности его действия. Desmodromic кулачка приводятся в движение посредством толчок / тяги от эксцентрикового вала или перекоса . Неизвестно, был ли когда-либо создан рабочий прототип.

Fiat был первым производителем автомобилей, который запатентовал функциональную автомобильную систему изменения фаз газораспределения, включающую регулируемый подъем. Разработанная Джованни Торацца в конце 1960-х годов, система использовала гидравлическое давление для изменения точки опоры кулачковых толкателей (патент США 3641988). Гидравлическое давление изменяется в зависимости от оборотов двигателя и давления на впуске. Типичная вариация открытия составляла 37%.

Alfa Romeo была первым производителем, применившим систему изменения фаз газораспределения в серийных автомобилях (патент США 4 231 330). Топливные модели Alfa Romeo Spider 2000 1980 года имели механическую систему VVT. Система была разработана Инг Джампаоло Гарсеа в 1970-х годах. Все модели Alfa Romeo Spider, начиная с 1983 года, использовали электронный VVT.

В 1989 году Honda выпустила систему VTEC . В то время как более ранний Nissan NVCS изменяет фазировку распределительного вала, VTEC переключается на отдельный профиль кулачка на высоких оборотах двигателя, чтобы улучшить пиковую мощность. Первым двигателем VTEC, произведенным Honda, был B16A, который устанавливался в хэтчбеках Integra , CRX и Civic, доступных в Японии и Европе.

В 1992 году компания Porsche впервые представила VarioCam — первую систему, обеспечивающую непрерывную настройку (все предыдущие системы использовали дискретную настройку). Система была выпущена в Porsche 968 и работала только на впускных клапанах.

Мотоциклы

Система изменения фаз газораспределения применялась в двигателях мотоциклов, но еще в 2004 году считалась бесполезным «технологическим экспонатом» из-за снижения веса системы. С тех пор среди мотоциклов, включая VVT, были Kawasaki 1400GTR / Concours 14 (2007 г.), Ducati Multistrada 1200 (2015 г.), BMW R1250GS (2019 г.) и Yamaha YZF-R15 V3.0 (2017 г.), Suzuki GSX-R1000R. 2017 L7.

морской

Система изменения фаз газораспределения стала доступной для судовых двигателей. В судовом двигателе VVT Volvo Penta используется фазовращатель, управляемый блоком управления двигателем, который непрерывно изменяет опережение или замедление фаз газораспределения.

Дизель

В 2007 году компания Caterpillar разработала двигатели C13 и C15 Acert, в которых использовалась технология VVT для уменьшения выбросов NOx, чтобы избежать использования EGR после требований EPA 2002 года.

В 2010 году компания Mitsubishi разработала и начала серийное производство своего 4N13 1,8 л DOHC I4, первого в мире дизельного двигателя для легковых автомобилей с системой изменения фаз газораспределения.

Автомобильная номенклатура

Гидравлические фазовращатели лопаточного типа на вырезной модели двигателя Hyundai T-GDI

Производители используют много разных названий для описания реализации различных типов систем изменения фаз газораспределения. Эти имена включают:

• AVCS (Subaru)
• AVLS (Subaru)
• CPS (Proton), но Proton используют двигатель vvt для своей новой модели 2016 года
• CVTCS (Nissan, Infiniti)
• CVVT (разработан Hyundai Motor Co., Kia, но также может быть основан на Geely, Iran Khodro, Volvo)
• DCVCP — двойное плавное регулирование фазы кулачка (General Motors)
• DVT (Десмодромная переменная синхронизация, Ducati)
• DVVT (Daihatsu, Perodua, Wuling)
• MIVEC (Мицубиси)
• MultiAir (FCA)
• N-VCT (Nissan)
• S-VT (Mazda)
• Ti-VCT (Ford)
• VANOS — VAriable NOckenwellenSteuerung ‘распределительный вал’ без и с добавленным Valvetronic (BMW)
• Вариатор фаз Alfa Romeo (VCT) Фазовый вариатор Alfa Romeo — это система изменения фаз газораспределения, разработанная Alfa Romeo, первая из серийных автомобилей (ALFA ROMEO spider duetto 1980).
• VarioCam (Porsche)
• VTEC , i-VTEC (Honda, Acura)
• VTi , (Citroen, Peugeot, BMW group)
• ВВЦ (MG Rover)
• ВВЛ (Nissan)
• Valvelift (Audi)
• VVA ( Ямаха )
• VVEL (Nissan, Infiniti)
• VVT (Chrysler, General Motors, Proton, Suzuki, Maruti, Isuzu, Volkswagen Group, Toyota)
• VVT-i , VVTL-i (Toyota, Lexus)
• ВТВТ (Hyundai)

Способы реализации переменного управления клапанами (VVC)

Кулачковое переключение

В этом методе используются два профиля кулачка с приводом для переключения между профилями (обычно при определенной частоте вращения двигателя). Переключение кулачка также может обеспечивать переменный подъем клапана и переменную продолжительность, однако регулировка является дискретной, а не непрерывной.

Первым производственным использованием этой системы была система Honda VTEC . Система VTEC изменяет гидравлическое давление для приведения в действие штифта, который блокирует коромысло (коромысла) с большим подъемом и длительным сроком действия с соседним коромыслом (коромыслами) с низким подъемом и малой продолжительностью.

Фазировка кулачка

Многие системы производства VVT являются кулачковыми фазировками типа, используя устройство , известное как вариатор. Это позволяет непрерывно регулировать синхронизацию кулачка (хотя многие ранние системы использовали только дискретную регулировку), однако продолжительность и подъем не могут быть отрегулированы.

Качающийся кулачок

В этих конструкциях используется колебательное или качающееся движение в выступе части кулачка, которое действует на толкатель. Затем этот толкатель открывает и закрывает клапан. В одних качающихся системах кулачка используется обычный кулачок, а в других — эксцентричный кулачок и шатун. Принцип аналогичен паровым двигателям, где количество пара, поступающего в цилиндр, регулировалось точкой «отсечки» пара.

Преимущество этой конструкции в том, что регулировка подъема и продолжительности осуществляется непрерывно. Однако в этих системах подъемная сила пропорциональна продолжительности, поэтому подъем и продолжительность не могут регулироваться отдельно.

Системы колебательных кулачков BMW ( valvetronic ), Nissan ( VVEL ) и Toyota ( valvematic ) действуют только на впускные клапаны.

Эксцентриковый кулачковый привод

Системы эксцентрикового кулачкового привода работают через эксцентриковый дисковый механизм, который замедляет и увеличивает угловую скорость кулачка во время его вращения. Приведение доли замедления во время ее открытого периода эквивалентно увеличению ее продолжительности.

Преимущество этой системы в том, что продолжительность может изменяться независимо от подъемной силы (однако эта система не меняет подъемную силу). Недостатком является наличие двух эксцентриковых приводов и контроллеров для каждого цилиндра (один для впускных клапанов и один для выпускных клапанов), что увеличивает сложность и стоимость.

MG Rover — единственный производитель, выпустивший двигатели с этой системой.

Трехмерный выступ кулачка

Эта система состоит из выступа кулачка, длина которого варьируется (по форме похожа на конус). Один конец выступа кулачка имеет короткую продолжительность / уменьшенный профиль подъема, а другой конец — более длительный / больший профиль подъема. Между ними лепесток обеспечивает плавный переход между этими двумя профилями. Путем смещения области выступа кулачка, который контактирует с толкателем, можно непрерывно изменять подъемную силу и продолжительность. Это достигается перемещением распределительного вала в осевом направлении (скольжением его по двигателю), так что неподвижный толкатель подвергается воздействию изменяющегося профиля лепестка для создания разной подъемной силы и продолжительности. Обратной стороной этого устройства является то, что профили кулачка и толкателя должны быть тщательно спроектированы, чтобы минимизировать контактное напряжение (из-за изменяющегося профиля).

Ferrari обычно ассоциируется с этой системой, однако неизвестно, использовали ли эту систему какие-либо серийные модели на сегодняшний день.

Двухвальный комбинированный профиль кулачка

Неизвестно, что эта система будет использоваться в каких-либо серийных двигателях.

Он состоит из двух (близко расположенных) параллельных распредвалов с поворотным толкателем, который охватывает оба распредвала и на который воздействуют одновременно два кулачка. Каждый распределительный вал имеет фазирующий механизм, который позволяет регулировать его угловое положение относительно коленчатого вала двигателя. Один лепесток управляет открытием клапана, а другой — закрытием того же клапана, поэтому переменная продолжительность достигается за счет интервалов между этими двумя событиями.

К недостаткам этой конструкции можно отнести:

• При длительных настройках один лепесток может начать снижать подъемную силу, а другой все еще увеличивается. Это снижает общую подъемную силу и, возможно, вызывает проблемы с динамикой. Одна компания утверждает, что в некоторой степени решила проблему неравномерной скорости открытия клапана, что позволило долго работать на полном подъеме.
• Размер системы из-за параллельных валов, больших толкателей и т. Д.

Коаксиальный двухвальный комбинированный профиль кулачка

Неизвестно, что эта система будет использоваться в каких-либо серийных двигателях.

Принцип работы заключается в том, что один ведомый охватывает пару близко расположенных лепестков. До углового предела радиуса при вершине толкатель «видит» комбинированную поверхность двух лепестков как непрерывную гладкую поверхность. Когда лепестки точно выровнены, продолжительность минимальна (и равна продолжительности каждой доли), а когда они находятся в крайней степени несовпадения, продолжительность максимальна. Основное ограничение схемы состоит в том, что возможно только изменение продолжительности, равное истинному радиусу вершины кулачка (в градусах распределительного вала или в два раза больше этого значения в градусах коленчатого вала). На практике этот тип регулируемого кулачка имеет максимальный диапазон изменения продолжительности около сорока градусов коленвала.

Это принцип, лежащий в основе того, что кажется самым первым предложением регулируемого кулачка, появившимся в файлах патентов USPTO в 1925 году (1527456). К этому типу относится «распределительный вал Клемсона».

Цилиндрический распредвал

Эта система, также известная как «комбинированный двухвальный соосный комбинированный профиль с винтовым движением», не используется ни в каких производственных двигателях.

Он имеет тот же принцип, что и предыдущий тип, и может использовать тот же профиль лепестка базовой длительности. Однако вместо вращения в одной плоскости регулировка является как осевой, так и вращательной, что придает ее движению спиральный или трехмерный вид. Это движение преодолевает ограниченный диапазон продолжительности предыдущего типа. Диапазон продолжительности теоретически неограничен, но обычно составляет порядка ста градусов поворота коленчатого вала, что достаточно для большинства ситуаций.

Сообщается, что кулачок сложно и дорого производить, требуя очень точной винтовой обработки и тщательной сборки.

Бескулачковые двигатели

Конструкции двигателей, в которых распределительный вал не используется для управления клапанами, обладают большей гибкостью в достижении регулируемых фаз газораспределения и переменного подъема клапана . Однако серийный бескулачковый двигатель для дорожных транспортных средств пока не выпущен.

Гидравлическая система

В этой системе используется смазочное масло двигателя для управления закрытием впускного клапана. Механизм открытия впускного клапана включает толкатель клапана и поршень внутри камеры. Есть электромагнитный клапан, управляемый системой управления двигателем, который получает питание и подает масло через обратный клапан во время подъема кулачка, и масло заполняется в камере, а обратный канал в поддон блокируется толкателем клапана. . Во время движения кулачка вниз в определенный момент открывается обратный канал, и давление масла сбрасывается в поддон двигателя.

Рекомендации

внешняя ссылка

Фазы и механизм газораспределения двигателя

Термин «фаза» означает часть, этап или ступень какого-то процесса. Поэтому впускная и выпускная фазы газораспределения – часть полного цикла работы двигателя внутреннего сгорания. Прочитав статью, вы узнаете, что происходит во время фаз, каким образом двигатель регулирует их и на что влияют фазы газораспределения.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Воспламенение топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя приводит к выделению выхлопных газов и увеличению температуры. Во время такта сжатия поршень движется к верхней мертвой точке (ВМТ) сжимая топливовоздушную смесь или воздух (дизельный двигатель).

Воспламенение происходит незадолго до ВМТ. В бензиновом двигателе топливовоздушную смесь воспламеняет искра свечи зажигания. В дизельном моторе в раскаленный от сжатия воздух впрыскивают распыленное топливо. Когда поршень приближается к нижней мертвой точке (НМТ), наступает выпускная фаза газораспределения. Выпускной клапан открывается и поднимающийся к ВМТ поршень выдавливает из цилиндра продукты горения топливовоздушной смеси. Когда поршень подходит к ВМТ заканчивается фаза выпуска и начинается фаза впуска. Поршень движется в ВМТ, в цилиндре возникает разряжение, благодаря которому воздух засасывает внутрь камеры сгорания. После достижения ВМТ фаза впуска завершается и начинается такт сжатия.

Устройство механизма газораспределения

Газораспределительный механизм (ГРМ) состоит из:

• одного или двух кулачковых распределительных валов, на каждый из которых установлена своя шестерня;
• шестерни коленчатого вала;
• цепного или ременного привода.

Число зубьев шестерни распределительного вала всегда в 2 раза больше, чем у шестерни коленчатого вала.

Благодаря этому за два оборота коленчатого вала происходит лишь один оборот распределительного вала. Это позволяет открывать и закрывать клапаны головки блока цилиндров (ГБЦ) в зависимости от такта двигателя. Фазы газораспределения зависят от расположения кулачков распределительного вала. Поэтому на одновальных двигателях возможна только одновременная регулировка фаз впуска и выпуска. На двухвальных двигателях возможна раздельная регулировка фазы впуска и фазы выпуска. Это позволяет оптимизировать работу двигателя под различные режимы.

Когда кулачок распределительного вала доходит до клапана, то начинает давить на него до тех пор, пока клапан полностью не откроется. Затем кулачок проходит дальше и пружина начинает выдавливать клапан, стремясь закрыть его. Как только давление со стороны распределительного вала исчезает, пружина полностью закрывает клапан. Угол поворота распределительного вала, в течение которого впускные или выпускные клапаны одного цилиндра открыты и называется фазой газораспределения.

На что влияют фазы ГРМ

В двигателях современных бюджетных автомобилей не предусмотрена автоматическая регулировка фаз газораспределения, поэтому они настроены на средний режим работы. Форма кулачков распределительных валов таких двигателей рассчитана на максимальное наполнение и освобождение цилиндров при скорости вращения, близкой к максимальному крутящему моменту. Обычно он расположен между 2/3 и 3/4 от максимальных оборотов. Поэтому такой двигатель «плохо тянет» на оборотах ниже половины от максимальных.

Почему так происходит? Чем выше обороты двигателя, тем быстрей движутся поршни. В результате давление внутри цилиндра во время фазы выпуска возрастает, но пропускная способность выпускного клапана не меняется. Во время фазы впуска поршень движется быстрей, чем на холостых оборотах, но пропускная способность клапана не меняется. Поэтому чем выше обороты двигателя, тем хуже наполнение цилиндров. Поэтому нередко фазы выпуска и выпуска пересекаются. В то время когда выпускной клапан закрывается, но еще открыт, начинает открываться впускной клапан.

На холостых и низких оборотах часть топлива, которая поступает в двигатель, уходит в выхлопную трубу. Это снижает мощность и экономичность двигателя. По мере роста оборотов влияние этого эффекта слабеет. Поэтому чем выше обороты двигателя, тем длинней должны быть фазы газораспределения. Это позволит избежать снижения мощности мотора.

Если сдвинуть фазы газораспределения от оптимальной точки, то произойдет резкое падение мощности мотора. Ведь цилиндры будут или не до конца освобождаться от выхлопных газов или не до конца наполняться топливовоздушной смесью. Однако оптимальная точка начала фазы и ее продолжительность зависят от нагрузки на мотор и оборотов двигателя. Поэтому тюнинговые мастерские и умелые автомобилисты устанавливают вместо штатной шестерни распределительного вала разрезную шестерню, с помощью которой можно сдвигать фазу на угол до 10 градусов. Также используют тюнинговые распределительные валы, рассчитанные на различные режимы и нагрузки. Те, кто предпочитает ездить на максимальной скорости, устанавливают валы с максимальными фазами впуска и выпуска. Те же, кто ездит на средних оборотах двигателя, избегая резких стартов и больших скоростей, ставят валы с чуть уменьшенными фазами.

Регулятор фаз газораспределения

Существует большое количество моделей фазорегуляторов, которые работают по различным алгоритмам. Однако, общий принцип неизменен. Когда двигатель работает на низких оборотах, фазорегулятор сокращает впускную и выпускную фазы. Это позволяет сократить расход топлива.

Когда двигатель начинает работать на высоких оборотах или под нагрузкой, регулятор увеличивает продолжительность фаз, а нередко и точку их начала. Это позволяет не только увеличить мощность и крутящий момент, но и снижает расход топлива. Наиболее популярны модели фазорегуляторов, которые работают на основе центробежного принципа. Чем выше обороты двигателя, тем сильней они натягивают цепь или ремень привода ГРМ, тем самым сдвигая и фазы газораспределения. Благодаря тому, что эти устройства регулируют натяжение ремня или цепи со стороны обоих распределительных валов, они эффективно сдвигают обе фазы. Такие фазорегуляторы не требуют настройки, однако после пробега в 40-70 тысяч километров необходимо менять уплотнительные кольца гидроцилиндров.

Более сложные регуляторы представляют собой систему из датчиков, контроллера двигателя и исполнительных устройств. Однако, принцип их работы точно такой же, как у центробежных. Исполнительное устройство увеличивает или ослабляет натяжение цепи со стороны впускного и выпускного валов. Благодаря этому каждая фаза регулируется отдельно. Такие системы требуют настройки и регулярной проверки. Благодаря тому, что исполнительные механизмы работают от электричества, нет необходимости в регулярной замене уплотнительных колец. Существуют также системы, в которых электронное управление совмещено с гидравлическим приводом. В таких системах регулировка происходит не за счет натяжения цепи, а с помощью увеличения давления внутри шестерни распределительного вала.

Чем выше давление, тем дальше гидропривод проворачивает распределительный вал относительно положения шестеренки.

Как установить фазы газораспределения

На большинстве современных автомобилей, оснащенных механическим ГРМ, фазы газораспределения выставляют одинаково. По ВМТ первого цилиндра. Для этого на корпусе блока цилиндров и ГБЦ, а также на шестернях распределительного и коленчатого валов нанесены специальные метки. В первую очередь совмещают метки коленчатого вала. Затем совмещают метки распределительного (распределительных) валов. После этого надевают и натягивают цепь или ремень, затем проверяют метки. Если метки на месте, коленчатый вал прокручивают 2 или 4 раза и снова проверяют метки. Если метки шестерней распределительного и коленчатого валов совпадают с метками на блоке цилиндров и ГБЦ, то фазы выставлены правильно. Если отличаются, необходимо снять цепь или ремень и повторить все операции. 

Влияние изменяемых фаз газораспределения на токсические и эффективные показатели двигателя с впрыскиванием бензина Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.436

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЯЕМЫХ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ТОКСИЧЕСКИЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ С ВПРЫСКИВАНИЕМ БНЗИНА

А. К. Синицын, А. В. Лоскутов

Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

В этой работе рассматривается модифицированная модель бездроссельного двигателя с искровым зажиганием и с изменяемыми фазами газораспределения; ее токсические и эффективные показатели во всем диапазоне эксплуатационных режимов.

Современные автомобильные двигатели должны удовлетворять перспективным и, часто противоречивым, целям, связанным с уменьшением вредных выбросов в отработавших газах (ОГ), обеспечением лучшей топливной экономичности и удовлетворения эксплуатационных требований водителя во всем диапазоне эксплуатационных режимов. Новый подход исследователей, для достижения этих целей, позволил разработать механизм изменения фаз газораспределения. Изменяемые фазы газораспределения — перспективная особенность современных двигателей, потому что имеется возможность оптимизировать фазы газообмена в широком диапазоне эксплуатационных режимов. Существует четыре возможных варианта изменяемых фаз газораспределения (УСТ) для двигателей с двумя верхними распределительными валами (£>0#С): 1- изменяются только фазы впуска; 2 — изменяются только фазы выпуска; 3 — изменяются фазы впуска и выпуска совместно; 4 — изменяются фазы впуска и выпуска независимо друг от друга. Анализ каждой схемы УСТ позволил разработать авторам нелинейную модель двигателя с УСТ и с двумя распределительными валами и совместным изменением фаз впуска и выпуска [1]. Условное изображение этой схемы показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема совместного изменения фаз впуска и выпуска

Выпуск и перекрытие клапанов происходят позже на такте впуска из-за смещения фазы газообмена. Это вызывает перепуск ОГ и догорание части выхлопных газов, богатых несго-

ревшими углеводородами. В результате этого с изменением частоты и при изменении нагрузки токсичность ОГ снижается.

Разработанная авторами модель, представленная ниже, отображает процесс наполнения цилиндров, изменения вращающего момента и уровень ЫОх и СО в отработавших газах (ОГ). Эта модель может использоваться при проектировании управляющего устройства УСТ, кроме того, схема совместного изменения фаз впуска и выпуска может быть использована при создании двигателя без распределительных валов.

Блок-схема модели двигателя с системой УСТ показана на рис. 2. Модель двигателя имитирует работу двигателя в диапазоне низких и средних частот вращения коленчатого вала и нагрузок бензинового двигателя.

Рис. 2. Блок-схема модели двигателя с системой УСТ: п — частота вращения коленчатого вала двигателя, мин’1; САМс, САМ„, САМ- угол смешения фаз газораспределения; Я — высота перемещения клапана, мм; VCTactuator — исполнительный механизм системы изменения фаз газораспределения; Valve lift — перемещение клапана; Fuel — подача топлива; ты, т„ — масса воздуха поступающего в цилиндр двигателя, массовое наполнение цилиндров, масса газов исходящих из цилиндров; KJs — секундный расход заряда, поступающего в цилиндры двигателя; Р„ — разрежение во впускном коллекторе; Engine Pumping Rate — насосные потери в двигателе; ЛЛ-ы, A/Fesh — воздушно-топливное соотношение в цилиндре двигателя и в выпускном коллекторе; Тд — вращающий момент двигателя; Feedgas Emissions — токсичность отработавших газов; EGO sensor — кислородный датчик; MAF sensor — датчик расхода воздуха

Модель двигателя не учитывает динамику подаваемого топлива, что является одной из важных причин изменения значений коэффициента избытка воздуха (A/F — воздушнотопливное отношение) при переходных процессах (разгон-торможение). Модель двигателя с системой УСТ также не включает крутильные колебания в элементах двигателя, так как частота вращения двигателя — это сравнительно медленно меняющееся состояние относительно процесса наполнения и динамики изменения A/F. Поэтому, при разработке системы управления двигателем, только частота вращения коленчатого вала может быть входным параметром. Угол опережения зажигания очень активно влияет на протекание вращающего момента, на величину вредных выбросов и КПД двигателя, поэтому для его изменения в зависимости от изменяющихся условий работы двигателя необходим самый быстрый исполнительный механизм электронного типа.

Основное назначение изменения фаз газораспределения состоит в том, чтобы уменьшить вредные выбросы на режимах малых и частичных нагрузок.

Характер изменения вращающего момента двигателя — сложный процесс, зависящий от геометрических особенностей цилиндров и клапанов, термодинамических особенностей цилиндров и клапанов, термодинамических свойств сгоревших и несгоревших газов, соотношения между массой входящего воздуха и топлива, а также протекания самого процесса сгорания. Модель вращающего момента двигателя (Тч), представленная здесь, учитывает массовое наполнение цилиндров (тиа/), воздушно-топливное отношение (A/F) и частоту вращения коленчатого вала двигателя (N). Поскольку считается, что моделируемый двигатель с системой УСТ, является бездроссельным двигателем, то есть для этого случая (пгсу/ = 0,4 = const), уравнение регрессии, описывающее вращающий момент такого двигателя, подобно таким же уравнениям для обычных двигателей и является полиномом третьей степени по каждой переменной:

Таблица I

Определение вращающего момента

Вращающий момент двигателя

Та = F (ты, A/F, N)

у = Ть, (Нм)

Г тф g/int.ev. 1

х = I A/F I

У mm = -21,71

247, 6

In,

мин

J

ГО,4 1 = 1 11,7 I 1. 745 J

ToTT

Xmax ~~ I 16,3 j L2005 J

0,0814 X3 + 0,0218 JC2X3

у = 0,0480- 0,006 lx2 0,0544 x? — 0,0179 xlx2 + 0,0077 xl1 x, + 0,0436 xl — 0,0153 X,3

0,0835 x2

У =

У-у,

У max -У*

X — Х„

X =

X — X

max nun

Рис. 3. Зависимость вращающего момента двигателя от коэффициента избытка воздуха при различной частоте вращения коленчатого вала и при бездроссельном исполнении двигателя.

Под общим понятием ИОх выделяется группа окиси азота N0 и двуокиси азота NО2 . образующихся в цилиндре двигателя. В бензиновых двигателях, как показывают практика и опыт, при нормальных температурах сгорания значения N0 и ТЮ2 невелики. Основные переменные, воздействующие на образование окислов азота — коэффициент остаточных газов, коэффициент избытка воздуха и угол опережения зажигания. Для упрощения модели, угол опережения зажигания закладывается в базу данных максимального вращающего момента. Характер протекания ИОх может быть описан полиномом, учитывающим частоту вращения коленчатого вала двигателя (Ы), изменение фаз газораспределения (САМ), коэффициент избытка воздуха (А/Р) и разрежение во впускном коллекторе (Р„). Принимая во внимание неизменность (стехиометричность) состава смеси (А/Р = 15,5) и бездроссельное исполнение двигателя (Рт = 0,0617 МПа), уравнение регрессии имеет вид:

Таблица 2

Содержание оксидов азота в ОГ двигателя

Содержание окислов азота в отработавших газах двигателя

N0, = /Ж САМ, А/Р, PJ

Y = NOx, г/кВт У тт = 3,67 У та, = 54,09

Гм мин’1 1 Г 746 1 Г2005 1

САМ, °п. к.в. I 1-0,2 I 135,1 1

х = \ А/Р 1 х — I 15 5 1 лтт і і-‘»-‘ і X 1 15 5 1 лтах = * * -Л-‘ і

LРя, МГ1а J Lo,0617j 1_0,0617 J

у = 0,0200 + 0,0529*, -0,0017х,2 -0,0266х2 +0,0667х,х2 -0,0946х,2х2

Рис. 4. Зависимость содержания окислов азота NOx в отработавших газах в зависимости от частоты вращения коленчатого вала для различных значений С4Д/(при Р„ uA/F const).

Выбросы углеводородов НС — результат их неполного сгорания. Формирование НС основано на сложных механизмах даже при допущении, что топливо, воздух и остаточные газы в цилиндре формируют однородную смесь. Механизм гашения пламени у стенок ка-

меры сгорания приводит к появлению слоя несгоревших НС вблизи стенки камеры сгорания, который захватывается поршнем и удаляется из цилиндра в течение последней фазы выпуска. При смещении фаз газораспределения в сторону запаздывания, эта часть отработавших газов удерживается и дожигается в цилиндре двигателя. Доля несгоревших НС смоделирована эмпирической зависимостью независимых переменных. Модель также имеет вид полинома, в котором учитывается частота вращения коленчатого вала (И), изменение фаз газораспределения (САМ), коэффициент избытка воздуха (А/Г) и разрежение во впускном коллекторе (МРт). И в этом случае, при построении регрессионной модели принималась неизменной частота вращения коленчатого вала двигателя (Ы = 2000 мин’1) и разрежение (бездроссельный двигатель) во впускном коллекторе (Рт = 0,0617 МПа):

Таблица 3

Содержание СИ в ОГ двигателя

Содержание углеводородов НС в отработавших газах двигателя

НС = /Ж САМ, А№, Рщі

у = НС, г/кВт. ,„ = 1 16,43 1

ІРт, МПа ] 10,0617 ] 1.0,0617 _|

у = 0,0230 + 0,0350*3 -0,0662х* — 0,6905х2

Рис. 5. Зависимость содержания углеводородов СН от отношения А/ґ для различных значений САМ

(при Рт = 0,0617 МПа, и N = 2005 мин’1).

По результатам выполненной работы можно сделать следующее заключение. Разработана модифицированная модель бездроссельного двигателя, оборудованного системой независимого изменения фаз впуска и выпуска (УСТ). Модель отображает нелинейное отображение вращающего момента и формирование вредных выбросов.

Модель может использоваться при анализе и управлении изменением фаз газораспределения для снижения вредных выбросов при малых и средних нагрузках и на низких и средних частотах вращения коленчатого вала двигателя. Первичное исследование выходных характеристик бездроссельного двигателя с системой УСТ указывает на значительное взаи-

модействие между тремя показателями двигателя: вращающим моментом, составом вредных выбросов в отработавших газах и коэффициентом избытка воздуха. Рассмотренная система управления газообменом двигателя позволяет выявить лишь малую часть оптимальных решений по управлению системой газораспределения, которые легче реализовать на двигателе без распределительных валов. Эта работа одна из первых системных подходов к изучению и развитию одного из направлений по созданию двигателя с газообменом без кулачковых распределительных валов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лоскутов А. В. Влияние изменяемых фаз газораспределения на токсические и эффективные показатели двигателя с впрыскиванием бензина. Дипломная работа на соискание степени бакалавра техники и технологий. РУДН. М. 2003.

2. Синицын А. К, Кривошапко Н.С. Анализ результатов расчетно-экспериментального исследования влияния переменных фаз газораспределения на показатели бензинового двигателя //Вестник РУДН. Сер.Инженерные исследования, 2001. -№1. -С.72-77.

3. Stefanopoulou A. G., Cook J. A., Grizzle J.W., Efreudenberg J.S. Control-Oriented Model of a Dual Equal Variable Cam Timing Spark Ignition Engine, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, vol. 120, pp. 257-266, 1998.

4. Lertz H.P., Wichart K., and Gruden D„ Variable Valve Timing — A Possibility to Control Engine Load without Throttle, SAE Paper № 880388, 1988.

UDC 621.436

MODELLING AND CONTROL OF A SPARK IGNITION THROTTLELESS ENGINE WITH VARIABLE CAM TIMING

A. K.Sinitsyn, A.V.Loskutov

Department of Internal Combustion Engines Russian People’s Friendship University Mikluho-Maklaya St., 6, 117198. Moscow, Russia

A control-oriented engine mode! is developed to represent a spark ignited thottleless engine equipped with a variable cam timing mechanism over a wide range of operating conditions. With respect to a fixed-cam timing engine, the VCT mechanism alters the mass air flow into the cylinders, the torque response, end the emissions of engine. The developed model reflects ail of these modifications and includes representations of the breathing process, torque and emissions generation. The model has been validated be constructional design of real petrol engine with VCT mechanism and without throttle unit. The work of this thesis is the first systematic approach toward studying and developing one of the various functionalities of a camless engine from a control perspective.

Как работает система изменения фаз газораспределения

Новые автомобили сбивают с толку. Со всеми компьютерами, датчиками и гаджетами может показаться, что под капотом происходит какое-то волшебное колдовство. Мы здесь, чтобы показать вам, как работают современные автомобильные компьютерные системы управления. В прошлый раз мы рассмотрели электронную систему управления дроссельной заслонкой. Сегодняшняя тема: Регулировка фаз газораспределения.

Раньше впускные и выпускные клапаны автомобиля открывались на определенную величину в определенный момент четырехтактного цикла и на определенное время.Это было так просто. В настоящее время, однако, многие двигатели могут изменять не только время открытия своих клапанов, но и то, насколько они открываются и как долго, то есть новые автомобили могут изменять фазы газораспределения, подъем клапана и продолжительность работы клапана. Давайте посмотрим, как все это работает. Для многих из вас это обзор, но если мы хотим, чтобы новое поколение автолюбителей заботилось об автомобилях, не помешает объяснить, как они на самом деле работают.

ПЕРЕМЕННЫЙ РЕЖИМ КЛАПАНА

G / O Media может получить комиссию

Диаграмма из Wikimedia Commons

Типичный впускной и выпускной клапаны двигателя открываются через выступы на распределительном валу.В двигателях с двумя верхними распредвалами есть отдельные распределительные валы для выпускных и впускных клапанов. Эти распределительные валы изготовлены из закаленного железа или стали и соединены с коленчатым валом с помощью зубчатых ремней, цепей или шестерен. Поскольку современные бензиновые двигатели включают четырехтактный цикл, это означает, что распределительные валы поворачиваются один раз на каждые два оборота коленчатого вала. Чтобы усилить этот момент, рассмотрим такт впуска двигателя. Впускной клапан открыт, то есть выступ распределительного вала прижимается к толкателю кулачка и открывает клапан.Давайте проследим движение кулачка и сравним его с движением коленчатого вала.

При открытом впускном клапане поршень движется вниз к нижней мертвой точке. Когда двигатель достигает нижней мертвой точки, коленчатый вал поворачивается на 180 градусов. Затем поршень перемещается вверх, чтобы сжать топливную смесь. Когда поршень достигает верхней мертвой точки, коленчатый вал совершает полный оборот. Затем свеча зажигания воспламеняет топливную смесь, отправляя поршень обратно в нижнюю мертвую точку.К этому моменту коленчатый вал совершил полтора полных оборота. Теперь выпускной клапан открывается, и поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Коленчатый вал совершил два полных оборота. Теперь, когда поршень находится примерно в верхней мертвой точке, кулачок распределительного вала, который мы отслеживаем, возвращается и открывает впускной клапан, и поршень движется обратно вниз. Таким образом, после двух оборотов коленчатого вала распредвал повернулся один раз. Посмотрите этот гиф, чтобы увидеть все это в движении.

В 1960-х годах автопроизводители начали разработку систем изменения фаз газораспределения, которые позволяли впускным и выпускным клапанам открываться раньше или позже в 4-тактном цикле. Целью было повысить объемный КПД, снизить выбросы NOx и уменьшить насосные потери. Сегодня существует два основных типа изменения фаз газораспределения: фазировка кулачка и смена кулачка. При смене кулачка ЭБУ выбирает другой профиль кулачка в зависимости от нагрузки и скорости двигателя, тогда как при фазировке кулачка исполнительный механизм вращает распредвал, изменяя фазовый угол. Есть десятки способов изменения фаз газораспределения, подъема и продолжительности, поэтому мы просто рассмотрим VVT-i Toyota и VTEC Honda.

Прежде чем мы посмотрим на VVT-i, поговорим о датчиках. В системах VVT используются всевозможные датчики, но наиболее важными из них являются датчики положения распредвала и коленчатого вала (которые часто являются датчиками Холла). ЭБУ использует эти датчики для отслеживания взаимосвязи между положением поршня и положениями клапанов. Коленчатый вал соединен со штоком и поршнем, а выступы распределительного вала запускают события подъема клапана. Таким образом, с помощью информации от датчиков положения коленчатого и распределительного валов, ЭБУ может узнать, насколько быстро двигатель вращается, а также относительное положение поршня и впускных и выпускных клапанов.

Фазирование кулачков

Фазирование кулачков ускоряет или замедляет подъем клапана за счет поворота распределительного вала, обычно в диапазоне примерно 60 градусов относительно угла поворота коленчатого вала. Допустим, наш впускной клапан обычно открывается на 5 градусов коленчатого вала перед верхней мертвой точкой и закрывает на 185 градусов коленчатого вала после верхней мертвой точки (5 градусов после нижней мертвой точки). «Задержка» фаз газораспределения на 10 градусов означает, что клапан открывается и закрывается на 10 градусов позже, то есть он открывается на 5 градусов после верхней мертвой точки и закрывается на 195 градусов после верхней мертвой точки.Задерживая синхронизацию распределительного вала, двигатель обеспечивает лучший крутящий момент на высоких оборотах, тогда как опережение фаз газораспределения впускного распредвала обеспечивает лучшую мощность при низких оборотах.

Для изменения фаз газораспределения используется множество различных методик. У каждого производителя есть собственное название для собственной системы VVT. Toyota использует VVT-i®, Honda использует VTEC®, Mitsubishi использует MIVEC®, и этот список можно продолжить. Давайте посмотрим, как работает система Toyota VVT-i.

Система VVT, показанная на видео выше, является вариацией Toyota VVT-i, хотя у Honda есть аналогичная система под названием VTC.В этой системе ЭБУ получает сигналы от датчика положения распределительного вала, датчика коленчатого вала, датчика температуры масла, датчика массового расхода воздуха (MAF) и датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя и использует эту информацию для настройки своего выходного сигнала на масляный регулирующий клапан. Этот клапан действует как гидравлический привод, вращая ротор (который соединен с распределительным валом) внутри корпуса, который соединен с коленчатым валом через цепь привода ГРМ. После того, как ЭБУ изменил фазовый угол кулачка, ЭБУ продолжает получать входные данные от всех датчиков и постоянно регулирует подачу масла к ротору. Как и электронное управление дроссельной заслонкой, это система с обратной связью, что означает, что разница между текущим фазовым углом распределительного вала и оптимальным углом распределительного вала является «сигналом ошибки», который отправляется в ЭБУ. Компьютер использует сигнал ошибки для настройки его вывода на привод, чтобы получить угол сдвига фаз распределительного вала там, где он должен быть.

Замена кулачка

Другие системы VVT изменяют форму выступов распредвала, а не только фазовый угол распредвала относительно коленчатого вала.Изменение профиля кулачка влияет не только на высоту подъема клапана (насколько он открывается), но и на продолжительность клапана (как долго клапан остается открытым). Изображение выше демонстрирует особенности выступа распределительного вала, которые влияют на подъем клапана и продолжительность.

При более высоких оборотах двигателя многие системы VVT меняют профиль кулачка на более агрессивный (т. Е. Высокий подъем и длительный срок службы). Некоторые системы переменного подъема клапана смещают распределительный вал в осевом направлении, так что выступ с более высоким профилем входит в зацепление с толкателем кулачка, обеспечивая больший подъем клапана.Другие, такие как Honda VTEC (yo), фиксируют коромысло высокого профиля на коромысле низкой скорости с помощью штифта с гидравлическим приводом. Более агрессивный выступ кулачка активирует этот высокий коромысел и обеспечивает больший подъем впускного клапана, позволяя большему количеству воздуха попасть в цилиндр.

Видео ниже, рассказчик которого странным образом во многом напоминает Ричарда Хаммонда, является отличным источником для понимания двух различных типов систем VVT и показывает, как работает гидравлический привод системы VTEC компании Honda.

Верхнее фото Кредит: Timitrius

Разъяснение изменения фаз газораспределения: оценка скорости работы двигателей | Особенность

Из номера за август 2017 г.

Когда дело доходит до многих переменных сгорания внутри двигателя, инженеры измеряют время ключевых событий в градусах вращения коленчатого вала, относительной системе отсчета, которая остается постоянной без необходимости компенсации изменения оборотов двигателя.При отсутствии знакомой, общепринятой шкалы времени легко недооценить, насколько быстро все движется в двигателе внутреннего сгорания. Добавьте к этому возможности современной электроники и элементов управления, которые оптимизируют работу клапанов, впрыск топлива и искровое зажигание для повышения мощности или эффективности, и запуск всех цилиндров зависит от точности до миллисекунды.

В качестве лишь одного примера, рядный шестицилиндровый двигатель BMW N55 с турбонаддувом сочетает в себе регулируемое фазирование кулачков впускных и выпускных клапанов с регулируемым подъемом впускных клапанов.На холостом ходу двигателя 725 об / мин такты впуска, сжатия, мощности и выпуска вместе происходят всего за 0,2 секунды, буквально мгновение ока. События, определяющие это сгорание, например, как долго клапаны остаются открытыми, происходят в течение еще меньших долей секунды. И когда двигатель приближается к максимальной частоте вращения 7000 об / мин, весь процесс сжимается в окно, которое длится примерно одну десятую от времени на холостом ходу.

Чтобы дать вам представление о том, насколько быстро движутся современные двигатели, давайте взглянем на стратегию эксплуатации N55:

Время впускных клапанов: Фазер впускного распредвала BMW inline-six может смещать профиль кулачка до 70 градусов, но продолжительность открытия 255 градусов является фиксированной.Выдержка означает полное открытие 0,006 секунды для одного такта впуска при 7000 об / мин.

N55 Регулировка фаз газораспределения

Высота впускного клапана: Система BMW Valvetronic эффективно выполняет роль дроссельной заслонки, дозируя воздух в цилиндры, прежде всего в зависимости от положения педали акселератора. Он может регулировать подъем впускного клапана в пределах 0,008 дюйма (что соответствует толщине четырех страниц журнала, который вы держите) при малых нагрузках и 0.4 дюйма для полной нагрузки с помощью быстродействующего двигателя постоянного тока, который управляет поворотом толкателей с кулачковыми роликами.

Время выпускных клапанов: Путем независимого регулирования фаз газораспределения контроллер двигателя может регулировать степень перекрытия — период, когда выпускной и впускной клапаны открыты. При движении с низкой нагрузкой и постоянной скоростью это перекрытие увеличивается, чтобы позволить части инертного выхлопного газа течь обратно в цилиндр во время такта впуска, снижая температуру сгорания и образование оксидов азота.На устойчивой скорости 50 миль в час с двигателем, работающим со скоростью 1500 об / мин, максимальное перекрытие N55 длится 0,2 секунды. Для максимальной мощности на красной линии полностью минимизированное перекрытие клапанов длится всего 0,0005 секунды — время, необходимое звуку, чтобы пройти всего семь дюймов при комнатной температуре.

Время зажигания: Время зажигания обычно увеличивается во время работы с малой нагрузкой для предотвращения детонации обедненных топливовоздушных смесей. Как на холостом ходу, так и на красной линии в N55 искра возникает примерно на шесть-восемь градусов до того, как поршень достигает верхней мертвой точки, но разница в оборотах двигателя — это разница между искрой, возникающей на 0.002 секунды и 0,0002 секунды до пика поршня. Это в 10 и 100 раз быстрее, чем взмахнуть крыльями колибри. Система также замедляет опережение зажигания, когда двигатель холодный, работая в сочетании с поздним впрыском топлива и более ранним открытием выпускного клапана, чтобы быстрее довести каталитические нейтрализаторы до рабочей температуры.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano. io.

Советы по ремонту клапана с регулируемой синхронизацией (VVT)

Переменная синхронизация клапана (VVT) или регулируемая синхронизация кулачка (VCT) является обычным явлением для большинства новых двигателей. Он отвечает за повышение производительности и экономии топлива на многих двигателях, а также за устранение многих клапанов системы рециркуляции ОГ.

Большинство систем активируются смазочным маслом, и для управления они используют управляющий соленоид, а также датчик распределительного вала, датчик коленчатого вала и PCM.Новые системы работают с крутящим моментом двигателя.

При фиксированном распределительном валу инженерам приходится балансировать между качеством холостого хода и производительностью, с одной стороны, и низким уровнем выбросов и экономией топлива, с другой. В результате ни одна из этих целей не достигается полностью. Регулируемые фазы газораспределения позволяют двигателю получить плавный холостой ход при достижении остальных целей. Современные системы VVT в сочетании с такими технологиями, как электронное управление дроссельной заслонкой и прямой впрыск топлива, позволяют двигателям меньшего размера обеспечивать высокую мощность и крутящий момент при более низких оборотах.

Для повышения производительности выпускной кулачок немного замедлен, чтобы двигатель дышал. Более высокие обороты двигателя означают меньшее время открытия клапана и более высокую скорость воздуха. Повышенная скорость выталкивает из цилиндра больше выхлопных газов. Задержка фаз газораспределения выпускного клапана увеличивает объемный КПД. Выпускной клапан все еще открыт, когда открывается впускной. Выходящий импульс выхлопа создает зону низкого давления за клапаном, что увеличивает перепад давления между впускным каналом и камерой сгорания.Результат — лучшее наполнение баллона. Помните, что это невозможно сделать на холостом ходу из-за низкой скорости воздуха.

Для обеспечения функции рециркуляции выхлопных газов выпускной кулачок полностью замедлен, что приводит к значительному перекрытию. В результате выхлопные газы остаются в цилиндре. Эта способность позволяет сократить количество проблем с оборудованием и обслуживанием из-за углерода. Позднее открытие выпускного клапана сохраняет большее давление выхлопных газов в цилиндре, вызывая обратный поток впускного заряда и задержку выхлопных газов.

В некоторых системах впускной распределительный вал выдвигается вперед при частичном открытии дроссельной заслонки и WOT. Такое размещение открывает впускной клапан раньше и позволяет некоторым выхлопным газам попасть во впускной такт, что имеет эффект рециркуляции отработавших газов. Он также быстрее закрывает впускной клапан, что увеличивает ход сжатия. На холодном двигателе более быстрое открытие впускного клапана также нагревает всасываемый заряд и помогает снизить выбросы при запуске.

Некоторые новые системы используют лучшее из обоих миров; они управляют несколькими кулачками независимо друг от друга.В двойных независимых системах выпускной распределительный вал запаздывает, а впускной клапан выдвигается независимо друг от друга. Это максимизирует эффект рециркуляции отработавших газов и дополнительно снижает насосные потери для максимальной эффективности.

Технический совет: У вас есть автомобиль, на котором устанавливаются коды VVT или VCT? Вы слышите дребезжащие звуки из фазера камеры? Вам может понадобиться новая звездочка или соленоид VVT.

Признаки неисправного или неисправного соленоида регулируемого клапана синхронизации (VVT)

В начале и середине 1960-х годов американские автомобильные гиганты Крайслер, Форд и Дженерал Моторс правили улицами и тащили полосы по земле.С каждым новым автомобилем «Большая тройка» узнавала все больше о характеристиках двигателей и о том, как выжать из своих двигателей каждую унцию лошадиных сил, вручную регулируя зазор клапанов и угол зажигания. Одним из самых больших достижений стала разработка системы изменения фаз газораспределения (VVT), новой системы, в которой использовалась передовая (на то время) электронная технология для подачи регулируемых электронных сигналов от системы зажигания посредством соленоида с изменяемой фазой газораспределения. Сегодня систему VVT можно найти практически во всех серийных автомобилях, продаваемых в Соединенных Штатах.

Каждый производитель автомобилей имеет свою собственную уникальную систему VVT, но большинство из них полагаются на полностью функциональный соленоид с изменяемой фазой газораспределения для управления потоком масла в систему VVT при ее включении. Эта система обычно активируется при значительной нагрузке на двигатель. Некоторые примеры этого включают в себя то, что транспортное средство несет дополнительный вес, движется в гору или когда ускорение ускоряется за счет управления дроссельной заслонкой. Когда соленоид VVT активируется, масло направляется для смазки цепи регулируемого газораспределения и узла шестерни.Если соленоид VVT выходит из строя или блокируется, отсутствие надлежащей смазки может привести к преждевременному износу или полному разрыву цепи привода ГРМ и шестерни.

Существует несколько других проблем, которые могут возникнуть, когда соленоид VVT изнашивается или сломался, что может привести к полному отказу двигателя. Чтобы снизить вероятность возникновения этих серьезных ситуаций, ниже перечислены несколько предупреждающих знаков, о которых следует помнить, которые могут указывать на проблему с соленоидом VVT. Вот несколько симптомов изношенного или сломанного соленоида VVT.

1. Загорается индикатор двигателя.

Поскольку современные автомобили управляются блоком управления двигателем (ЭБУ), практически все отдельные компоненты контролируются ЭБУ. Когда одна часть начинает выходить из строя, ЭБУ сохранит конкретный код неисправности, который позволит механику, использующему диагностический прибор, узнать о существовании проблемы. Как только код будет сгенерирован, он будет сигнализировать водителю, подсвечивая предупреждение о конкретной зоне. Самый распространенный индикатор, который загорается при выходе из строя соленоида VVT, — это индикатор проверки двигателя.

В связи с тем, что каждый производитель автомобилей использует разные коды, владельцу автомобиля очень важно связаться с местным сертифицированным механиком ASE, чтобы осмотреть автомобиль, загрузить код с помощью правильного диагностического инструмента и определить точный источник проблемы. Фактически, существуют буквально десятки индивидуальных кодов для проблем с соленоидом VVT для каждого производителя автомобилей. Как только механик получит эту исходную информацию, он сможет приступить к решению конкретной проблемы.

2. Моторное масло грязное

Это скорее причина, чем симптом. Соленоид VVT работает лучше всего, когда моторное масло чистое, без мусора, или если моторное масло потеряло часть своей смазывающей способности или вязкости. Когда моторное масло забивается мусором, грязью или другими посторонними частицами, оно имеет тенденцию забивать канал от соленоида к цепи и шестерне VVT. Если моторное масло не было заменено вовремя, это может привести к повреждению соленоида VVT, цепи VVT и зубчатой ​​передачи.

Чтобы избежать этой ситуации, замените моторное масло в соответствии с рекомендациями производителя автомобиля. Низкий уровень масла также может вызвать проблемы с соленоидом VVT и другими компонентами системы газораспределения.

3.

Неровная работа двигателя на холостом ходу

Обычно система VVT не активируется до тех пор, пока двигатель не наберет более высокие обороты или пока не будет задействована нагрузка, например, в гору. Однако, если соленоид VVT неисправен, возможно, он добавит дополнительное моторное масло в шестерни VVT.Это может вызвать резкую работу двигателя на холостом ходу, в частности, колебания оборотов двигателя при активации системы. Если быстро не проверить, это может привести к преждевременному износу дополнительных компонентов двигателя. Если ваш двигатель плохо работает на холостом ходу, убедитесь, что сертифицированный механик проверит это как можно скорее.

4. Снижение топливной экономичности

Назначение регулируемых фаз газораспределения — гарантировать, что клапаны открываются и закрываются в нужное время, чтобы максимизировать производительность двигателя и снизить расход топлива.Когда соленоид VVT неисправен, вся система может выйти из строя, что может привести к открытию и закрытию впускных и выпускных клапанов в неподходящее время. Обычно это приводит к резкому снижению экономии топлива.

Если вы обнаружите какие-либо из вышеперечисленных предупреждающих признаков неисправного или неисправного соленоида системы изменения фаз газораспределения, обратитесь к местному сертифицированному механику ASE от YourMechanic. Они могут осмотреть ваш автомобиль, при необходимости заменить соленоид системы изменения фаз газораспределения и обеспечить надежную работу вашего автомобиля или грузовика.

Ищете соленоид VVT?

Посмотрите десятки отличных вариантов прямо здесь.

купить сейчас
Autoblog может получать долю от покупок, сделанных по ссылкам на этой странице. Цены и доступность могут быть изменены.

РЕГУЛЯТОР ВРЕМЕНИ КЛАПАНА

Система изменения фаз газораспределения (VVT) — это технология, которая используется во многих последних моделях двигателей для улучшения экономии топлива, плавности хода на холостом ходу, выбросов и производительности. Регулировка фаз газораспределения позволяет изменять фазу газораспределения вместе с оборотами двигателя, в отличие от стандартных фиксированных кулачковых приводов, которые никогда не меняются. Время работы клапана определяет, когда впускные и выпускные клапаны открываются, как долго они остаются открытыми и когда закрываются. В свою очередь, это влияет на впускной и выпускной поток, вакуум во впускном коллекторе, рабочую компрессию, объемный КПД, реакцию дроссельной заслонки, а также на то, сколько лошадиных сил и крутящего момента развивает двигатель при любом заданном числе оборотов.

Традиционно всегда фиксировались фазы газораспределения.Установленные путем совмещения меток ГРМ на звездочках или шестернях привода распределительного и коленчатого валов, фаза газораспределения не изменяется — если только цепь ГРМ не растягивается, или ремень не выскакивает на паз или не рвется. Проблема с фиксированным временем в том, что это всегда приводит к компромиссу.

Настройки фаз газораспределения, которые обеспечивают лучший холостой ход, вакуум на впуске и крутящий момент на низких оборотах, — это не те настройки, которые обеспечивают лучшую мощность в среднем диапазоне или на высокой скорости. Опережение фаз газораспределения улучшает качество холостого хода и крутящий момент на низких оборотах, а замедление фаз газораспределения улучшает конечную мощность.В идеале, фазы газораспределения должны изменяться в зависимости от частоты вращения двигателя и нагрузки, как это происходит с моментом зажигания. Но со стандартным кулачковым приводом (ременным, цепным или шестеренчатым) это невозможно. Следовательно, фазы газораспределения обычно устанавливаются так, чтобы способствовать повседневной маневренности (крутящий момент от низкого до среднего).

Распределение фаз клапана может быть увеличено или замедлено на несколько градусов в любом направлении за счет смещения ведущей шестерни на распределительном валу с помощью смещенного штифта, смещенной шпоночной канавки или распределительного механизма со смещенными монтажными отверстиями. Производители двигателей с высокими характеристиками часто «настраивают» фазу газораспределения таким образом, чтобы сдвинуть диапазон мощности двигателя вверх или вниз по шкале оборотов.

Многие распределительные валы вторичного рынка шлифуются с 4-градусным опережением фаз газораспределения для улучшения крутящего момента от низкого до среднего. Если такой кулачок используется в двигателе с высокими оборотами, замедление кулачка от 4 до 8 градусов может улучшить максимальные характеристики, но за счет меньшего крутящего момента на низких оборотах.

Регулируемые фазы газораспределения позволяют обойти ограничения фиксированных фаз газораспределения. VVT позволяет изменять фазы газораспределения в зависимости от частоты вращения двигателя и нагрузки. Это обеспечивает гораздо более широкий диапазон мощности и лучшие всесторонние характеристики.Регулировка фаз газораспределения может быть увеличена на низких оборотах для улучшения качества холостого хода, реакции дроссельной заслонки и крутящего момента на низких оборотах, а также замедлена на более высоких оборотах двигателя для увеличения пиковой мощности.

HOW с изменяемой синхронизацией клапана

Сегодня используется множество различных систем VVT. В наиболее распространенном типе используется привод распределительного вала или «фазер», установленный на шестерне привода кулачка, и соленоид клапана управления потоком масла, который направляет давление масла на фазозаборник кулачка.

Большинство систем VVT не работают на холостом ходу и вступают в действие только при более высоких оборотах двигателя или когда двигатель находится под нагрузкой.В остальное время VVT просто едет.


Фазеры с косозубой зубчатой ​​передачей изменяют положение распределительного вала, когда давление масла
прикладывается к поршню в зубчатом механизме.


Первые серийные системы VVT появились еще в 1990 году на нескольких импортных автомобилях (Nissan 300ZX V6 и Mercedes SL 3.0L six & 5.0L V8). Эти ранние применения VVT были на двигателях с двойным верхним кулачком (DOHC) и только улучшили синхронизацию впускных распредвалов.Фазеры кулачка имели только два рабочих положения («включено» или «выключено») и опережали время впускных клапанов примерно на 20 градусов выше определенного числа оборотов в минуту. Увеличение времени впускного распредвала относительно выпускного кулачка позволило двигателям развивать более высокую мощность оборотов.

Большинство простых фазовращателей VVT первого поколения используют подпружиненный винтовой зубчатый механизм для изменения относительного положения кулачка. Когда PCM подает питание на клапан управления потоком масла, давление масла направляется на поршень внутри фазера.Поршень перемещает косозубую шестерню, которая слегка поворачивает кулачок для изменения фаз газораспределения. Когда клапан управления потоком масла закрывается, давление масла внутри фазера сбрасывается, и натяжение пружины возвращает кулачок в исходное базовое положение синхронизации.


Круглая пружина в фазорезке с косозубой шестерней возвращает кулачок
обратно в исходное базовое положение синхронизации, когда давление масла сбрасывается.

Для сравнения: большинство фазовращателей VVT на новых двигателях работают немного иначе.Вместо косозубой шестерни и поршня для изменения положения кулачка многие используют фазер кулачка роторного типа с лопатками или лопастной ротор внутри корпуса фазера.

Давление масла направляется в полости на одной или обеих сторонах лопаток или выступов ротора, чтобы толкать ротор в ту или иную сторону. Вращение ротора внутри фазовращателя приводит к сдвигу или замедлению фаз газораспределения и фаз газораспределения.


Ротор внутри этого фазовращателя кулачкового типа перемещается, когда давление масла прикладывается к любой стороне лопаток ротора.

В приложениях, где фазер только увеличивает или замедляет фазу газораспределения, имеется внутренний фиксирующий штифт, который скользит в отверстие, чтобы зафиксировать фазер в нужном положении, когда давление масла не подается. При приложении давления масла он выталкивает установочный штифт из его заблокированного положения, позволяя фазеру вращаться.

Лопастные фазовращатели реагируют быстрее, чем фазовращатели с косозубой шестерней, и обычно изменяют фазы газораспределения / клапана на 20–30 градусов в любом направлении.Клапан управления потоком масла также регулируется рабочим циклом (широтно-импульсная модуляция). Это позволяет PCM производить бесступенчатую или непрерывную пошаговую регулировку фаз газораспределения вместо только полного опережения или полного замедления. Это означает, что фазы газораспределения больше не являются компромиссом, а могут быть изменены в соответствии с частотой вращения двигателя и нагрузкой.

Некоторые из последних систем VVT полностью избавляются от гидравлики. Они используют электродвигатель внутри фазера для опережения или замедления фаз газораспределения. Электронные фазовращатели могут очень быстро реагировать на изменение условий эксплуатации и не зависят от давления масла.Так что со временем мы, скорее всего, увидим более широкое использование электронных фазерных систем VVT.

Различные типы регулируемых фаз газораспределения

Разные производители автомобилей используют разные стратегии изменения фаз газораспределения для разных целей. Например, на некоторых старых двигателях Ford и General Motors VVT используется только на выпускном кулачке двигателей DOHC для замедления времени выпуска. Это создает эффект рециркуляции выхлопных газов для снижения выбросов оксидов азота (NOx), когда двигатель находится под большой нагрузкой.Это также позволяет отказаться от клапана рециркуляции ОГ на многих двигателях.

На многих новых двигателях DOHC VVT используется как на впускных, так и на выпускных кулачках. Это позволяет компьютеру независимо изменять время впускных и выпускных клапанов для еще большей производительности, экономии топлива и выбросов.



Многие двигатели имеют фазовращатели VVT на впускных и выпускных кулачках для управления каждым кулачком отдельно.

Некоторые автопроизводители также сочетают изменение фаз газораспределения с регулируемым подъемом клапана.Это изменяет не только фазы газораспределения, но и то, насколько (и как долго) открываются клапаны. Одной из первых таких систем была электронная система управления фазами газораспределения и подъема (VTEC) Honda, представленная в 1991 году на Acura NSX. Эта же система позже была добавлена ​​в широкий спектр моделей Honda и Acura. Вместо использования гидравлического фазовращателя кулачка для изменения положения впускного кулачка, система Honda VTEC добавила дополнительный кулачок и коромысло для каждой пары клапанов. Выше определенного числа оборотов давление масла передавалось на дополнительные коромысла.Это подняло рычаги так, чтобы они зафиксировались относительно других коромысел и задействовали 3 выступа ^rd «рабочих характеристик» на распределительном валу, чтобы увеличить подъем клапана и продолжительность работы.

На последних моделях двигателей BMW с прямым впрыском бензина система BMW Valvetronic использует электронный фазовращатель для приведения в действие ряда промежуточных коромысел, когда требуются изменения фаз газораспределения и подъема. Это позволяет PCM управлять частотой вращения двигателя и холостым ходом, используя только фазы газораспределения и впрыск топлива, устраняя необходимость в дроссельной заслонке.Избавление от дроссельной заслонки позволяет двигателю свободно дышать на холостом ходу как дизель с минимальными насосными потерями. В результате достигается 10-процентная экономия топлива и снижение выбросов.

В двигателях с толкателем Corvette LT1 последней модели стандартная шестерня кулачкового привода была заменена гидравлическим фазером лопаточного типа для обеспечения VVT. Это позволяет PCM опережать или замедлять фазы газораспределения по мере необходимости для лучшей производительности.

На более новых моделях Dodge Vipers используется специальный «концентрический» распределительный вал внутри распределительного вала для изменения фаз газораспределения, подъема и продолжительности.Концентрический кулачок имеет твердый внутренний сердечник и узел внешней трубки. Есть два набора лепестков, один набор прикреплен к внешней трубке, а второй набор прикреплен к внутреннему валу через прорези во внешней трубке. Фазер на конце кулачка поворачивает положение внутреннего вала по отношению к внешней трубе для изменения фаз газораспределения, подъема и перекрытия.

Проблемы с синхронизацией регулируемого клапана

Каким бы отличным ни был VVT, он также уязвим для некоторых проблем. В системах VVT, которые используют давление масла для приведения в действие фазовращателя, качество, вязкость и загрязнение масла могут повлиять на работу фазовращателя.Если фазер не получает адекватного давления масла, или масло неправильной вязкости (слишком густое или слишком жидкое), или масло грязное, это может помешать правильной работе фазера. Это, в свою очередь, может отрицательно сказаться на характеристиках двигателя, экономии топлива и выбросах. Такие неисправности часто включают световой индикатор Check Engine и устанавливают код неисправности, связанный с VVT.

Общие коды неисправностей OBD II включают:

P0010…. Цепь привода положения распределительного вала, ряд 1

P0011…. Превышение опережения положения распределительного вала, или сбой системы, ряд 1

P0012…. A Превышение синхронизации положения распределительного вала, ряд 1

P0013 …. B Цепь привода положения распределительного вала, ряд 1

P0014 …. B Превышение времени синхронизации положения распределительного вала или сбой системы Банк 1

P0015 . … B Слишком высокая задержка синхронизации положения распределительного вала, ряд 1

P0020 …. A Цепь привода положения распределительного вала, ряд 2

P0021 …. A Превышение синхронизации положения распределительного вала или сбой системы, ряд 2

P0022 …. A Положение распределительного вала Тайминги OverRetarded Bank 2

P0023…. B Цепь привода положения распределительного вала, ряд 2

P0024 …. B Превышение синхронизации положения распределительного вала или сбой системы, банк 2

P0025 …. B Превышение задержки синхронизации положения распределительного вала, банк 2


Любой из этих кодов может быть результатом неисправного фазовращателя распредвала, клапана управления потоком масла или неисправности проводки.

Кулачковые фазовращатели могут выйти из строя по-разному. Грязь или мусор могут забить масляные отверстия или входной фильтр, питающий фазер, не давая масла достичь блока.При использовании фазовращателей с косозубой шестерней грязь или мусор могут заблокировать шестерни или вызвать их заедание. Физическое повреждение шестерен или чрезмерный износ также могут помешать нормальной работе фазера.

На фазовращателях с косозубыми шестернями и возвратными пружинами сломанная пружина не позволяет кулачку вернуться к своей нейтральной или базовой настройке синхронизации после того, как он был продвинут или замедлен.

Негерметичный гидравлический поршень или утечка в корпусе фазера могут также препятствовать изменению положения кулачка при приложении давления масла.

На фазовращателях с лопастями, которые имеют внутренний стопорный штифт, износ штифта или его установочного отверстия может вызвать шум. Штифт также может срезаться, не давая фазеру зафиксироваться в нейтральном положении. Стук или стук, который слышен только на холостом ходу и в основном при горячем двигателе, но исчезает на более высоких оборотах, обычно указывает на изношенный фазер, который необходимо заменить.

Фазер VVT также может не изменить фазы газораспределения, если клапан управления потоком масла, который питает его, заклинивает, загрязнен грязью или шламом или не работает.

Диагностика изменения фаз газораспределения

Прежде чем делать какие-либо выводы относительно системы регулирования фаз газораспределения, если двигатель работает на холостом ходу или не развивает нормальную высокую мощность, вам следует также рассмотреть другие возможные причины, такие как большая утечка вакуума (впускной коллектор, вакуумные шланги или клапан рециркуляции отработавших газов) , сильное накопление углерода на впускных клапанах (обычная проблема с прямым впрыском бензина), грязные топливные форсунки, низкое давление топлива, пропуски зажигания, ограничения выхлопа, потеря компрессии (сгоревшие / погнутые клапаны или протекающая прокладка головки) или проблема с турбонаддувом .

Одна из первых вещей, которые вы должны проверить, если подозреваете, что проблема VVT — это масло. Уровень масла низкий? Это может вызвать падение давления масла, что может повлиять на работу системы VVT. Правильно ли обслуживали масло? Грязное масло, заполненное осадком, не подходит для фазовращателей VVT или регулирующих клапанов.

При замене масла в двигателе VVT используйте масло высокого качества и вязкости, рекомендованной производителем транспортного средства. Для большинства автомобилей последних моделей это будет 5W-30 или 5W-20.Многие европейские автомобили используют даже более жидкие масла, такие как 0W-20 или 0W-40.

Проблемы с давлением масла, очевидно, повлияют на работу системы VVT. Основные причины могут включать изношенный масляный насос в двигателе с большим пробегом или изношенные основные подшипники или подшипники кулачка. При подозрении на низкое давление масла используйте манометр.

Проблемы с потоком масла и регулировкой в ​​кулачке Phaser

Забитый, заклинивший или неработающий клапан управления потоком масла также может препятствовать нормальному функционированию системы VVT.С двухпозиционными соленоидами вы можете проверить целостность и / или сопротивление соленоида с помощью DVOM на короткое замыкание или обрыв. Вы также должны проверить напряжение питания и заземление в жгуте проводов, чтобы определить, проходит ли командный сигнал PCM.

Другой альтернативой является подача питания на соленоид на холостом ходу, чтобы проверить, изменяются ли качество холостого хода двигателя, частота вращения и разрежение на впуске (должны). Никакие изменения не будут указывать на неисправный соленоид или отсутствие потока масла через регулирующий клапан к фазеру.

Или вы можете снять соленоид управления потоком масла (двигатель выключен) и подать напряжение. Если соленоид не двигается, блок неисправен и его необходимо заменить.


Если клапан управления потоком масла VVT неисправен, заедает или забит мусором, это может помешать давлению масла достичь фазовращателя распредвала.

Для соленоидов с широтно-импульсной модуляцией (и двухпозиционных соленоидов) наблюдайте за состоянием соленоида VVT с помощью диагностического прибора. Он должен быть выключен на холостом ходу и включаться при более высоких оборотах.Если клапан имеет широтно-импульсную модуляцию, изменяются ли показания с частотой вращения двигателя?

Если ваш сканер двунаправленный и программное обеспечение позволяет вам активировать соленоид управления потоком масла или изменять его рабочий цикл во время работы двигателя, это еще одна проверка, которую вы можете сделать, чтобы увидеть, реагируют ли фазовращатели кулачка.

Другие неисправности, которые могут повлиять на работу системы VVT, включают проблемы с сигналами датчиков положения распределительного или коленчатого вала, неисправный датчик MAP (который определяет нагрузку на двигатель) или даже проблему в самом PCM.

При подозрении на неисправность датчика следуйте рекомендациям производителя.




Замена кулачка Phaser

Если фазовращатель забит шламом или отложениями лака, его можно разобрать и очистить. Однако, если какие-либо внутренние детали изношены или сломаны, вам необходимо заменить фазер как единое целое, потому что запасные части для восстановления фазовращателя еще не доступны у поставщиков послепродажного обслуживания или у производителей автомобилей.Новые фазовращатели доступны в большинстве магазинов автозапчастей. Цены варьируются от 100 до почти 300 долларов и не включают цепь или ремень привода ГРМ, а также комплект натяжителя цепи (их необходимо приобретать отдельно).

Процедуры замены могут варьироваться от относительно простых до крупных. Доступ к фазовращателям кулачка может быть проблемой на двигателях, где необходимо снять впускные коллекторы, генераторы переменного тока или другие компоненты, прежде чем вы сможете потянуть крышку кулачка или клапанную крышку, чтобы добраться до фазовращателя (ов).

На многих двигателях DOHC и SOHC цепь привода ГРМ должна удерживаться или фиксироваться в нужном положении при снятии фазовращателя, чтобы цепь не проскальзывала вовремя и не соскакивала со звездочки коленчатого вала. Для удержания цепи на месте могут потребоваться специальные инструменты.

Другая проблема заключается в правильной установке нового фазовращателя. Коленчатый вал, возможно, придется повернуть в определенное положение ПЕРЕД заменой фазера. Также неплохо отметить цепь привода ГРМ, чтобы новый фазер можно было установить в том же положении.Вы должны убедиться, что сам фазер находится в правильном базовом положении синхронизации, прежде чем он будет прикручен к кулачку.

Во избежание неожиданностей и ошибок всегда соблюдайте инструкции производителя транспортного средства по разборке и установке.

Советы по обслуживанию клапана с регулируемой синхронизацией

На 3-клапанных двигателях V8 Ford 4.6 л и 5.4 л с большим пробегом часто встречается «стук» фазера кулачка. Ford TSB 06-19-8 подробно рассматривает этот вопрос. В некоторых случаях проблема возникает не из-за износа фазовращателей, а из-за низкого давления масла из-за износа кулачковых подшипников в головках цилиндров.Для устранения проблемы может потребоваться замена или повторная обработка головок. Альтернативным решением является установка масляного насоса большого объема для увеличения потока масла к фазовращателям кулачка. Другой вариант — «заблокировать» фазеры на их базовых настройках синхронизации, установив специальные заглушки, которые предотвращают перемещение лопаток. Однако это лишает преимуществ VVT и требует перепрограммирования PCM.


Синий штекер на этой фотографии был установлен внутри фазовращателя, чтобы зафиксировать его в статическом положении.

Всегда проверяйте наличие новых или обновленных бюллетеней технического обслуживания (TSB) производителя при устранении проблем с VVT. Для решения проблемы может быть обновленная часть или перепрошивка PCM.

Если у двигателя VVT есть проблема с фазером из-за масляных отложений и плохого обслуживания, промойте картер для удаления загрязнений, затем замените масло и фильтр. Это может устранить необходимость замены фазера.

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, чтобы просмотреть или загрузить эту статью в виде файла PDF




---


Статьи по теме

Коды фаз газораспределения Ford

Статья Ларри Карли в журнале Engine Builder за 2015 год

Компоненты головки цилиндров

Диагностика двигателя, который не проворачивается и не запускается

Диагностика шума двигателя

Поиск и устранение неисправностей Низкое давление масла

Диагностика масляного насоса

Масляные насосы: сердце двигателя

Распределительные валы

Ремни ГРМ: ваш двигатель и мешает двигателю?

Обновление цепей и ремней привода ГРМ

Замена цепи привода ГРМ (Mazda и Ford 3.0L DOHC V6)

Предупреждение о гарантии на ремень ГРМ послепродажного обслуживания

Обслуживание ремня ГРМ GM

Ремни и цепи ГРМ Ford

Ремни ГРМ Toyota и Honda

Щелкните здесь, чтобы увидеть другие технические статьи по автомобилестроению

Электромагнитный клапан переключения фаз газораспределения

Другие условия производителя для электромагнитного клапана VVT

Автопроизводители, использующие соленоид VVT

Электронная система регулирования фаз газораспределения, впервые разработанная компанией Nissan в начале 90-х годов, теперь стала почти универсальной функцией на серийных автомобилях, чтобы соответствовать более строгим нормам выбросов.

Технология VVT может быть обычным явлением, но многие компании используют разные торговые марки и патенты для одной и той же системы.

Многие приложения для соленоида Spectra VVT носят другое название оригинального оборудования:

Производитель	Акроним / термин	Определение
Audi	Клапанный подъемник
BMW	VANOS	Переменный Nockenwellensteuerung
Fiat	MultiAir
Форд	Ti-VCT / VCT	Независимая синхронизация фаз газораспределения с двумя независимыми переменными фазами / фаза фаз газораспределения
Дженерал Моторс	DCVCP	Двойное непрерывное регулирование фазы кулачка
Хонда, Акура	VTEC, i-VTEC	Электронное управление с изменяемой синхронизацией клапана и подъемом
Hyundai, Kia, Volvo	CVVT	Бесступенчатая регулировка фаз газораспределения
Hyundai, Kia	VTVT	Клапанный механизм с регулируемым распределением фаз
Mazda	S-VT	Последовательная синхронизация клапана
Мицубиси	MIVEC	Система электронного управления синхронизацией клапанов Mitsubishi Innovative
Nissan, Infiniti	CVTCS / VVEL	Непрерывное регулирование фаз газораспределения / Nissan Variable Valve Event and Lift
Nissan	N-VCT / VVL	Система фаз газораспределения Nissan / Экологически ориентированные регулируемые клапаны Nissan
Порше	VarioCam
Тойота, Лексус	VVT-i, VVTL-i	Регулируемая синхронизация клапана с интеллектом
Subaru	AVCS / AVLS	Активная система управления клапаном

Общие симптомы неисправности соленоида VVT

• Резкий холостой ход двигателя
• Проверьте свет двигателя
• Пропуски зажигания двигателя при нагрузках

Больше информации

Распространенные причины отказа

Загрязнения в моторном масле — основная причина выхода из строя системы VVT.Неисправный агрегат приведет к нестабильной работе двигателя на холостом ходу и низкой экономии топлива. Несоблюдение замены умирающего узла может привести к выходу из строя зубчатой ​​передачи двигателя и цепи привода ГРМ. Всегда следите за индикатором «Проверьте двигатель»

.

Как работает система изменения фаз газораспределения?

Современные автомобили оснащены всеми типами датчиков и устройств, а также имеют центральную компьютерную систему для бесперебойной работы. Под капотом происходит так много всего, и вам даже не нужно знать функции половины из этих частей.Однако, если вы автолюбитель, вы должны знать о некоторых важных компонентах, и система изменения фаз газораспределения (VVT) является одним из них.

Определение регулируемых фаз газораспределения

Системы изменения фаз газораспределения видны в камере внутреннего сгорания двигателя. Он выполняет работу по изменению момента открытия и закрытия клапана и работает вместе с системой подъема клапана.

Этот компонент важен, поскольку его правильное использование может улучшить работу двигателя, повысить топливную экономичность и снизить выбросы.

Система изменения фаз газораспределения. (Источник фото: Picasa)

Двухтактные двигатели не имеют VVT, но в них используются системы клапанов привода для обеспечения тех же характеристик.

Важные части VVT

Вся система VVT и ее компоненты зависят от циркуляции моторного масла. Если возникнут проблемы с потоком масла, все детали могут выйти из строя.

Двумя наиболее важными частями этой системы являются:

Соленоиды

Каждый распределительный вал имеет соленоид, который воздействует на давление масла в распределительном валу.Он может изменять давление в зависимости от нагрузки и скорости двигателя. Это также помогает добиться правильной работы двигателя за счет увеличения или блокировки положения кулачка.

Этот компонент может выйти из строя по двум причинам — нерегулярная замена масла в фильтрах и двигателе и низкий уровень масла в двигателе.

ПОДРОБНЕЕ:

Звездочки

Это устройство, также известное как фазер кулачка, обеспечивает максимальную кривую крутящего момента и увеличивает мощность двигателя.Это гарантирует, что ваш автомобиль получит максимальную производительность от двигателя при меньшем выбросе углекислого газа.

Как работает система изменения фаз газораспределения?

Внутри камеры сгорания двигателя находится несколько клапанов. Они отвечают за управление потоком газа, входящим в цилиндр сгорания и выходящим из него. Без VVT синхронизация всех клапанов будет одинаковой для каждого состояния и скорости двигателя. Это снижает производительность, потому что время должно адаптироваться к этим факторам.Система изменения фаз газораспределения позволяет изменять фазы газораспределения в зависимости от частоты вращения и состояния двигателя.
Существует два основных типа систем VVT. Посмотрим:

VVT в действии.