Фазы газораспределения четырехтактного двигателя что это такое

Что такое фазы газораспределения и как они работают

Отрезки времени от начала момента открытия клапанов двигателя до их полного закрытия относительно мертвых точек движения поршня получили наименование фазы газораспределения. Их влияние на работу двигателя очень велико. Так, от продолжительности фаз зависит эффективность заполнения и очистки цилиндров в процессе работы мотора. Это напрямую определяет экономичность расхода топлива, мощность и крутящий момент.

1. Сущность и роль фаз газораспределения
2. Почему выполняется запаздывание и опережение срабатывания клапанов?
3. Особенности регулируемых фаз 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.

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.

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.

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.

Логика работы CVVT

Система CVVT работает на всем диапазоне оборотов ДВС. В зависимости от производителя логика работы может отличаться, но в среднем она выглядит примерно так:

• Холостой ход. Задача системы – выполнить проворачивание впускного вала так, чтобы обеспечить позднее открытие впускных клапанов. Это положение повышает устойчивость работы двигателя.
• Средние обороты ДВС. Система обеспечивает промежуточное положение распределительного вала, обеспечивая снижение расхода топлива и выброс вредных веществ с отработанными газами.
• Высокие обороты ДВС. Действие системы направлено на максимальное увеличение мощности. Для этого впускной вал прокручивается так, чтобы обеспечить опережение открытия клапанов. Так, система обеспечивает лучшее наполнение цилиндров, что позволяет улучшить характеристики ДВС.

Способы регулирования

Регулировка критериев, в которых функционирует механизм газораспределения в транспортном средстве, предусматривает различные варианты изменения фаз. Это может быть поворот распредвала, либо использование кулачков с различным профилем, либо же различная заданная высота поднятия клапанов. Именно система, основанная на вращательном действии распред вала мотора, получила максимальное распространение.

В таком способе предусмотрена гидроуправляемая муфта. Само проворачивание распредвала происходит именно с ее участием. Устанавливают ее чаще всего на распредвале впускных клапанов. Конструктивно для управления ею предусмотрены датчики, ЭБУ, а также некоторые устройства исполнительного типа. На управляющий блок. поступают сигналы, собранные датчиками, в результате чего формируются команды электрогидравлическому распределителю. Смена газораcпределяющих фаз эффективна и на холостом ходу и при достижении максимальной отдачи агрегата.

В cледующей разновидности газораспределяющей схемы фазы меняются благодаря использованию в ней кулачков разных размеров. Такая установка позволяет менять периоды, в течение которых будут открыты клапаны и выcоту, на которую они смогут подняться. Применение блокирующего механизма позволяет переключаться между разными режимами работы (Hon­da — VTEC).

Если нагрузка на движок невелика, то впускные клапана управляютcя малыми. кулачками. Как только обороты возрастают, то в действие приводится уже механизм блокирующего типа. Происходит объединение коромысел от большого и малых кулачков в единую составляющую. В это же время усилие уходит на впускные клапана.

Существует еще одна методика смены газораспределяющих фаз, что основана на принципе коррекции высоты поднятия клапанов. При том, что движок может эксплуатироваться в разных режимах, она дает возможность отказаться от активного пользования заслонкой акселератора. Впервые стала применяться, как Вы думаете, каким автопроизводителем? Конечно, это был не ГАЗ, а BMW, известный своими инновационными разработками. На сегодняшний день этот принцип используют и другие автоконцерны.

В данной методике высота может корректироваться посредством вращения вала. В ней участвует промежуточный рычаг, влияющий на движение коромысла и позицию, которую занимает клапан. Сам же уровень поднятия меняется постоянно, исходя из того, в каком сейчас режиме функционирует силовой агрегат машины. Предусмотрена такая схема только для клапанов «впускного типа».

Изменяемые фазы газораспределения

В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах и при любых режимах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования для каждого конкретного режима.

Для примера рассмотрим, какие требования к газораспределению предъявляет двигатель при различных условиях нагрузки и работы.

Режим холостого хода

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

При работе в режиме низких нагрузок перекрытие клапанов необходимо уменьшить для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.

Режим средних нагрузок

В этом режиме необходимо увеличить перекрытие клапанов, что позволит снизить «насосные» потери. При этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет повысить температуру рабочего цикла сжатия и уменьшить ее в процессе такта сгорания (рабочего хода), что, в свою очередь, приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах и повышению температурного КПД двигателя.

Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала

На этом режиме должно обеспечиваться раннее закрытие впускных клапанов, чтобы обеспечить увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно при движении в городском транспортном потоке.

Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала

Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо обеспечить 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.

Приведенный выше анализ показывает, что механизм газораспределения должен чутко подстраиваться под конкретные условия работы двигателя, чтобы обеспечить наиболее эффективное выполнение двигателем своих функций. Очевидно, что газораспределительный механизм должен уметь изменять фазы газораспределения в зависимости от режима работы двигателя.

Осознание конструкторами необходимости применения «гибких» ГРМ, способных изменять фазы газораспределения в следящем режиме в зависимости от условий работы двигателя привело к созданию различных систем и технических решений, позволивших воплотить эту идею в жизнь.

Основными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

• улучшение качества работы двигателя на холостом ходу;
• повышение топливной экономичности двигателя;
• 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.

Чтобы варьировать фазами газораспределения во время работы двигателя необходимо каким-либо образом изменять положение распределительного вала относительно коленчатого вала. При этом принцип действия привода поворота распределительного вала, для изменения фаз газораспределения, может быть любым — механическим, гидравлическим, электрическим или пневматическим.

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.
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).

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.

Альтернативной механическим системам явилась более дешевая конструкция системы изменения фаз газораспределения с использованием гидроуправляемой муфты — фазовозвращателя. Такая муфта 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 и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

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

Например, в системе VVTL-i, разработанной специалистами фирмы Тойота, после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу включается дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иную кинематику движения клапана и изменяет фазы газораспределения. При повышении частоты вращения коленчатого вала свыше 6500. 8000 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, способное придать автомобилю динамический рывок при ускорении.

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

Еще одно техническое решение проблемы – изменение высоты подъема клапанов, позволяющее варьировать процесс газообмена при помощи различных систем управления. В таких системах высота подъема клапанов и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа, т. е. при помощи бездроссельного управления.
Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет 8. 15%, прирост мощности — в пределах 5. 15 %.

В последнее время механический привод управления скоростью и высотой подъема клапанов все чаще вытесняет электромагнитный привод, как более чуткий к сигналам управляющих устройств.
Высоту, время и скорость подъёма клапана в этом случае можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника, в соответствии с заданной программой, может периодически не открывать «ненужные» клапаны, или вовсе отключать цилиндры от газообмена. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем.

Работа инженеров и конструкторов по оптимизации и совершенствованию систем газораспределения двигателей внутреннего сгорания ведется непрерывно, чтобы полностью использовать потенциал увеличения динамических и скоростных характеристик двигателей, их экономичности и экологической безопасности.