Фази газорозподілу
Фазигазорозподілу (8.11) звичайно зображують у виді кругової діаграми, яку називають
діаграмою фаз газорозподілу (рис. 8.58).
Фази підбирають в залежності від швидкохідності двигуна і конструкції його впускної і
випускної систем. При вивченні процесів впуску і випуску вже вказувалося, що для кращого
очищення циліндрів від відпрацьованих газів випускний клапан починає відкриватися до
досягнення поршнем НМТ, а закривається після ВМТ; з метою кращого наповнення циліндрів
впускний клапан починає відкриватися до досягнення поршнем ВМТ, а закривається після
проходження НМТ.
Кут повороту кривошипа, що відповідає положенню, при якому впускний і випускний
клапани одночасно відкриті, називається кутомперекриттяклапанів (8.12).
Рисунок 8.58. Діаграми фаз газорозподілу двигунів ВАЗ
Оскільки при збільшенні частоти обертання тривалість відкриття впускного клапана
зменшується, очевидно, що для кожного швидкісного режиму роботи оптимальні фази
газорозподілу відрізняються. Тому велика кількість фірм-виробників двигунів виробляють ДВЗ
зі змінними фазами газорозподілу. Вони дозволяють змінювати тривалість перекриття клапанів,
але не змінюють період знаходження клапанів у відкритому стані. Вперше таку систему було
масово використано у 1983 році компанією Alfa Romeo, яка запропонувала механізм, що змінює
кутове положення розподільного вала, який керує впускними клапанами. Пізніше такий же
принцип був використаний конструкторами інших компаній. Засобом збільшення тривалості
відкриття клапанів є зміна величини їх ходу (це, крім того, дає можливість відмовитися від
дросельної заслінки, яка складає значний опір потокові повітря на низькій частоті).
Кут закриття впускного клапана впливає на наповнення циліндрів, кут відкриття
впускного та закриття випускного – на вміст у заряді залишкових відпрацьованих газів.
Технологія зміни фаз газорозподілу отримала назву Variable valve timing (VVT). Розглянемо
основні її типи.
Механізм VANOS (Variable Nockenwellen Steuerung) зі зміною фаз впускних клапанів
розроблено фірмою BMW (спільно з Continental Teves) у 1992 році, у 1998 р. представлено Double
VANOS, який змінював (постійно) фази усіх клапанів. Механічна частина являла собою дві
шестерні зі спіральними зубцями (рис. 8.59): одна (зі зовнішніми зубцями) з’єднана з
розподільним валом, інша (з внутрішніми зубцями) – з зірочкою приводу ГРМ. Привод
механізму – гідравлічний (рис. 8.60), при його включенні масло каналами (на рисунку – жовтим
кольором) поступає до механізму і, діючи на шестерню розподільного вала, провертає його
відносно шестерні зірочки. Повертання до вихідного стану здійснюється пружиною. Процес
повороту займає не більше, ніж чверть секунди.
У 2001 р. фірмою BMW представлено систему Valvetronic, яка постійно змінювала
величину хода впускних клапанів від 0 до 9,7 мм. Механічна частина складається (рис. 8.61) з
додаткового вала з ексцентриками та додаткових важелів між кулачками та коромислами.
Електропривод повертає вал з ексцентриками, які змінюють кутове положення нижньої робочої
частини додаткового важеля. Важіль, на середній ролик якого діє кулачок, змінює хід коромисла
і, відповідно, хід клапана. При малому ході клапана зменшуються втрати на газообмін,
збільшується швидкість протікання повітря крізь клапанну щілину до критичної. Дросельна
заслінка у такій системі не потрібна. Її установлюють лише на випадок відмови системи
керування ходом клапанів. Недоліком систем Valvetronic і Double VANOS є їхня вартість (до 10%
вартості всього ДВЗ).
Аналогічну за принципом дії систему використовує Toyota (під назвою VVT–i – Variable
Valve Timing – Intelligent).
Рисунок 8.59. Механізм BMW Double VANOS
Рисунок 8.60. Привод механізму BMW Double VANOS
Рисунок 8.61. Система BMW Valvetronic
1 – кулачок; 2 – ексцентрик; 3 – додатковий важіль; 4 – коромисло
Інший тип системи передбачає дискретний механізм зміни.
Фірмою Honda у 1990 р. розроблено механізм VTEC (Variable Valve Timing and Lift
Electronic Control), який після того декілька разів був модернізованим. Відповідно, є декілька їх
типів: DOHC VTEC, SOHC VTEC, VTEC-E, 3-stage VTEC, Hyper VTEC, i-VTEC.
Особливостями DOHC VTEC є (рис. 8.62): два розподільних вали, обидва з цим
механізмом; 4 клапани на циліндр; на кожні два клапани доводиться три кулачки на
розподільному валу. Механізм має два режими. При малих та середніх навантаженнях кожен
клапан керується своїм кулачком (це зовнішні кулачки в кожній трійці), а в режимі максимальної
потужності обидва клапани управляються одним центральним кулачком. Кулачки впливають на
клапани через одноплечі коромисла (важелі), яких теж три на два клапани. Усі коромисла
обладнані поршеньками-фіксаторами з гідравлічним приводом, які при наявності впливу
системи керування зрушуються й з'єднують їх у єдине ціле. Середній важіль обладнаний
спеціальною пружиною, що забезпечує постійний контакт кулачка з важелем на низьких і
середніх частотах обертів. При роботі двигуна на малих і середніх частотах важелі не
заблоковані й кожен з них робить незалежний рух під дією відповідного кулачка. При цьому
середній кулачок хоча й обертається разом з іншими, але в роботі ГРМ участі не приймає. При
переході на режим високої частоти електронний блок керування системи направляє масло до
поршнів-фіксаторів у важелях, які починають переміщатися, що приведе до блокування
останніх. Таким чином, усі елементи цієї групи стануть підконтрольними одному центральному
кулачку, що самостійно керує роботою обох клапанів.
Рисунок 8.62. Механізм Honda VTEC:
1 – розподільний вал; 2 – крайні кулачки; 3 – середній кулачок; 4 – середнє коромисло; 5 –
крайні коромисла; 6 – поршні
Механізм SOHC VTEC відрізняється, тим, що має один розподільний вал на чотири
клапани, причому система керує тільки впускними клапанами; використаються роликові
коромисла; принцип роботи аналогічний. Механізм SOHC VTEC-E схожий на попередній, але
має два кулачки, один з яких являє собою просте кільце (рис. 8.63). При невеликих обертах
кожен з клапанів керується своїм кулачком, але оскільки один із цих кулачків є кільцем, реально
працює тільки другий клапан (перший закритий). За рахунок несиметричності потоку
надходження пальної суміші (один клапан закритий, а другий відкритий) виникають завихрення,
які дозволяють працювати на досить бідній суміші. При збільшенні частоти спрацьовує система
VTEC, й обидва клапани починають керуватися одним нормальним кулачком. Основна мета
застосування подібної системи – помітне зниження витрати палива й поліпшення екологічних
показників. При цьому питома потужність може виявитися менше аналогічних двигунів навіть
без системи VTEC.
Рисунок 8.63. Двигун Honda з механізмом VTEC-Е
Система 3-stage SOHC VTEC з'явилася в 1995 році та являє собою об'єднань двох
діаметрально протилежних за призначенням систем – SOHC VTEC й SOHC VTEC-E (рис. 8.64).
Відмінні риси: один розподільний вал на чотири клапани; використаються роликові коромисла;
на кожні два впускних клапани доводиться три кулачки, один із яких являє собою кільце.
Система має три режими роботи. Перший режим (низька частота обертання) аналогічний
першому режиму SOHC VTEC-E. У другому режимі, також як в SOHC VTEC-E, обидва клапани
управляються нормальним крайнім кулачком. Двигун у цьому випадку реалізує високий крутний
момент. А при переході до третього режиму, режиму максимальної потужності, обидва клапани
управляються одним високим центральним кулачком.
Рисунок 8.64. Схема роботи системи Honda 3-stage SOHC VTEC
Систему Hyper VTEC було розроблено спеціально для установки на 4-тактні мотоциклетні
двигуни. Основною її особливістю є наявність гідравлічного приводу механізму включення в
роботу клапанів (рис. 8.65), що дозволяє позбутися необхідності установки коромисел і
забезпечити безпосередню взаємодію кулачків зі штовхачами клапанів. На малих і середніх
обертах працюють по одному із двох впускних і випускних клапанів, що приходяться на
циліндр. При збільшенні частоти до роботи підключаються ще два клапани, збільшуючи
наповнення циліндрів.
Рисунок 8.65. Схема приводу клапанів у Honda Hyper VTEC
Конструкція механізму i-VTEC (рис. 8.66) припускає використання, крім основної системи
VTEC, додаткову систему VTC (Variable Timing Control), яка безупинно регулює момент початку
відкриття впускних клапанів. Фази відкриття впускних клапанів задаються залежно від
навантаження двигуна й регулюються за допомогою зміни кута установки впускного
розподільного вала аналогічно системі VANOS. Застосування системи VTC поряд з VTEC
дозволяє ефективніше наповнювати циліндри двигуна паливоповітряною сумішшю, а також
поліпшити повноту її згоряння, що виражається у збільшенні потужності двигуна на 20%,
крутного моменту на 10%, зниженні витрати палива й зменшенні шкідливих викидів на 10ч20%.
Дискретні значення можна отримати і провертанням розподільного вала. На рис. 8.67
показано систему VaneCAM, яка у залежності від обертів провертає вал у одне з двох крайніх
положень.
Рисунок 8.66. Двигун Honda з механізмом і-VTEC
Рисунок 8.67. ГРМ двигуна Renault з механізмом двопозиційного регулювання фаз VaneCAM
Іншим засобом змінення фаз є змінення довжини ведучої ланки ланцюга натягувальним
роликом. Таку схему (VarioCam) розроблено фірмою Porsche (рис. 8.68). Система VarioCam Plus
(рис. 8.69) вже використовує провертання розподільного вала та зміну величини підйому
клапанів. Остання реалізується за допомогою трьох кулачків, один з яких (центральний) має
малий хід (3 мм), два інші – великий (10 мм). Переключення здійснюється блокуванням
фіксаторів у штовхачі. При відсутності блокування привод здійснюється через центральний
штовхач, а периферійний (зовнішній) буде рухатися без зв’язку з клапаном. При блокуванні
привод здійснюється через зовнішній штовхач.
Рисунок 8.68. Система Porsche VarioCam
Рисунок 8.69. Система Porsche VarioCam Plus
З 2006 р. фірма Audi використовує систему Audi Valvelift System з двоступінчастим
регулюванням висоти підйому клапанів. На відміну від звичайних систем, що вимагають
впровадження додаткових деталей, які повинні перемикатися або сковзати, щоб виявитися
в робочому положенні, у цій системі використаються виконавчі пристрої, що установлені
безпосередньо на розподільному валу (рис. 8.70). Таке рішення має переваги відносно
конфігурації кривих підйому клапанів. У системі Audi Valvelift System використаються основи
кулачків, що розташовані на розподільному валу впускних клапанів і здатні переміщатися
в поздовжньому напрямку. На них встановлено два кулачки, які розташовано поруч один
з одним: один кулачок призначений для малої висоти підйому клапана (5,7 мм на одному
клапані, 2 мм на іншому для створення завихрення), другий – для великої (11 мм). Переключення
здійснюється фіксаторами, які входять у спіральні виточки на валу – пряму та зворотну
відповідно, та утримується блокувальником. Система поліпшує паливну економічність на 10%.
Рисунок 8.70. Схема роботи системи Audi Valvelift System
Фірмою Toyota у 1998 р. розроблено систему VVTLi (Variable Valve Timing and Lift with
intelligence) зі зміною фаз газорозподілу постійним провертанням обох розподільних валів та
ходу клапана завдяки переміщенню напрямного важеля (рис. 8.71).
Рисунок 8.71. Схема роботи механізму VVTLi:
1 – кулачок з великим ходом; 2 – кулачок з малим ходом; 3 – роликовий важіль; 4 –
напрямний важіль; 5 – фіксатор
Але найпростішою системою зміни величини ходу клапана є система з конічним
профілем кулачків та розподільним валом, що рухається у поздовжньому напрямку (рис. 8.72).
Рисунок 8.72. Зміна фаз газорозподілу за допомогою кулачків з конічним профілем
У деяких конструкціях регулювання наповнення здійснюється перекриттям заслінкою
одного з двох впускних каналів (рис. 8.73) – Toyota T-VIS (Toyota Variable Intake System).
Рисунок 8.73. Схема системи Toyota T-VIS