Назначение систем регулирования фаз

Эффективность работы ДВС главным образом определяется организацией процесса газообмена, то есть качественным и своевременным наполнением и очисткой цилиндров. Эта задача возлагается на газораспределительный механизм и зависит от фаз газораспределения – моментов и продолжительности открытого состояния впускных и выпускных клапанов. Если клапаны открыты непродолжительное время, фазы называют «узкими». Чем дольше открыты клапаны – тем фазы «шире».
При низких оборотах коленвала объемы и скорость движения горючей смеси и отработанных газов невелики, поэтому фазы должны быть узкими, а перекрытие (время одновременного открытия впускных и выпускных клапанов – минимальным. В этом случае свежая смесь не вытесняется в выпускной коллектор через открытый выпускной клапан и, соответственно, отработанные газы не попадают во впускной. Если же «расширить» фазы на низких оборотах, отработанные газы смешаются с рабочей смесью, снизив тем самым ее качество и вызвав падение мощности и неустойчивую работу двигателя.
С ростом оборотов пропорционально увеличиваются объемы и скорость движения перекачиваемой смеси и отработанных газов в единицу времени, поэтому необходимы «широкие» фазы и большее время перекрытия для лучшей продувки цилиндров. Продувка – вытеснение выхлопных газов из цилиндра движущейся с большой скоростью топливовоздушной смесью.
Ширина фаз определяется формой кулачков распределительного вала. Чем больше высота кулачка – тем выше высота подъема клапана. Чем «тупее» его конец – тем больше время максимального подъема клапана. Таким образом, подбирая форму кулачков, конструкторы могут настроить двигатель на работу только в определенном диапазоне оборотов. При проектировании обычного дорожного автомобиля разрабатывается усредненный распредвал для компромиссного баланса между мощностью и экономичностью. При отклонении от этого диапазона, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, эффективность ДВС будет снижаться. Например, «узкофазный» мотор не позволит развить высокую мощность, а «широкофазный» будет неустойчиво работать на малых оборотах, что вынудит увеличивать частоту оборотов холостого хода. Следовательно, идеальным решением было бы изменять ширину фаз в зависимости от оборотов двигателя. Так появились системы регулирования фаз газораспределения.
Для технической реализации идеи регулирования фаз было создано множество конструкций. Для их описания потребуется не одна страница. Поэтому ознакомимся с устройством только нескольких - как простых, проверенных временем систем, так и самых современных.
Поворот распредвала
Одним из способов регулирования фаз газораспределения является изменение положения распределительного вала относительно его первоначального положения в зависимости от режимов работы двигателя. Для примера рассмотрим систему Variable Valve Timing (VVT), применяемую на автомобилях Фольксваген. Она предназначается для оптимизации фаз при работе двигателя на режимах холостого хода, максимальной мощности и максимального крутящего момента.
В систему VVT входят следующие компоненты:
✔ Две гидроуправляемые муфты (другое название - фазовращатели), установленные на впускном и выпускном распределительных валах. Обе муфты подключены через корпус механизма газораспределения к системе смазки двигателя. Муфты состоят из встроенного в звездочку вала наружного корпуса и неподвижно соединенного с валом ротора. Корпус и ротор могут смещаться относительно друг друга
✔ Корпус механизма газораспределения, установленный на головке блока цилиндров двигателя. Внутри корпуса проходят каналы для подвода и отвода масла к обеим муфтам поворота распределительных валов.
✔ Два электрогидравлических распределителя. Эти распределители установлены на корпусе механизма газораспределения. Они служат для регулирования подвода масла из системы смазки двигателя к обоим фазовращателям.
Управление системой VVT осуществляется блоком управления двигателя. Получая данные с датчиков о частоте вращения коленвала, нагрузке двигателя, температуре охлаждающей жидкости, а также о мгновенном положении коленчатого и распределительных валов, ЭБУ выдает сигнал на электрогидравлические распределители. Распределители открывают соответствующие каналы подвода масла, расположенные в корпусе механизма газораспределения. Масло из системы смазки двигателя поступает в гидроуправляемые муфты, которые поворачивают распределительные валы.
На режиме холостого хода впускной вал поворачивается таким образом, чтобы обеспечить более позднее открытие и соответственно более позднее закрытие впускных клапанов, а выпускной вал поворачивается так, что выпускной клапан закрывается задолго до прихода поршня в ВМТ. В результате количество отработанных газов в смеси снижается до минимума, что благоприятствует стабилизации сгорания в цилиндрах двигателя и повышению равномерности его работы на данном режиме.
Для достижения максимальной мощности при высокой частоте вращения вала двигателя производится задержка открытия выпускных клапанов. Благодаря этому увеличивается продолжительность давления газов на поршень на такте рабочего хода. Впускной клапан открывается после ВМТ и закрывается относительно поздно после НМТ. При этом динамические процессы во впускной системе используются для получения эффекта дозарядки цилиндров и соответствующего увеличения мощности двигателя.
Для получения максимального крутящего момента необходимо обеспечить возможно больший коэффициент наполнения цилиндров.
Для этого необходимо раньше открывать и соответственно закрывать впускные клапаны, чтобы не допустить обратный выброс смеси из цилиндров во впускной трубопровод. При этом выпускные клапаны закрываются с небольшим опережением до ВМТ. Более подробно с работой системы VVT можно ознакомиться здесь (формат PDF).
Подобные системы устанавливают в своих двигателях Renault (VCP), BMW (VANOS/Double VANOS), Toyota (VVT-i), Honda (VTC). Некоторые из них используют фазовращатели только на впускном распредвалу, некоторые, как и VVT – на обоих. Недостатком подобных систем является то, что они способны только сдвигать фазы в ту или другую сторону, но не могут «сужать» или «расширять» их.