Работата на двигателя — включително мощността, въртящият момент, горивната ефективност и вредните емисии — зависи от десетки прецизно настроени фактори. Един от най-важните, но често подценяван, е фазирането на клапаните: точният момент, в който всмукателните и изпускателните клапани се отварят и затварят по време на всеки работен цикъл на двигателя. Системите за променливо фазиране на клапаните (VVT) са разработени, за да оптимизират това фазиране при всички условия на движение и коренно са променили начина, по който работят съвременните двигатели.
Как се управляват клапаните в традиционния двигател
В конвенционалния четиритактов двигател с вътрешно горене всмукателните и изпускателните клапани се задействат от гърбиците на разпределителния вал. Формата на тези гърбици определя три ключови характеристики:
- Фазиране — кога клапанът се отваря и затваря спрямо положението на буталото
- Продължителност — колко дълго клапанът остава отворен (ширината на фазата)
- Ход — колко далеч се движи клапанът от седлото си
В повечето традиционни двигатели тези фази са фиксирани — профилът на разпределителния вал никога не се променя, независимо дали возилото се движи на празен ход в задръстване или ускорява по магистрала. Тази негъвкавост е фундаментално ограничение.
Защо фиксираното фазиране на клапаните е проблем
Поведението на газовете в цилиндъра, всмукателните и изпускателните канали се променя значително в зависимост от оборотите и натоварването на двигателя. Скоростта на потока непрекъснато се изменя, а налягателните вълни в смукателния и изпускателния тракт могат да подпомагат или да пречат на пълненето на цилиндъра в зависимост от фазирането. Поради това едно единствено фиксирано фазиране не може да бъде оптимално при всички режими на работа.
Ето как идеалното фазиране на клапаните се различава при два типични сценария:
- На празен ход: Най-подходящи са тесни фази на клапаните — късно отваряне и ранно затваряне, с минимално или никакво препокриване на клапаните (краткият период, в който всмукателният и изпускателният клапан са едновременно отворени). Това предотвратява връщането на отработили газове обратно в смукателния колектор, или изхода на неизгоряла смес в изпускателната система.
- При максимална мощност: Необходими са широки фази — клапаните трябва да се отварят по-рано и да остават отворени по-дълго, за да се вкара максимален обем въздушно-горивна смес в цилиндрите. По-широката фаза на препокриване също така спомага за по-ефективното прочистване на отработилите газове при високи обороти.
Конструкторите на двигатели са принудени да правят трудни компромиси. Един единствен фиксиран профил на разпределителния вал трябва едновременно да осигурява:
- Добър въртящ момент в ниския и средния диапазон на оборотите
- Приемлива максимална мощност
- Плавен и стабилен празен ход
- Добра горивна икономичност и ниски вредни емисии
Да се отговори на всички тези изисквания с един неизменен профил на гърбиците е практически невъзможно — и именно затова е изобретено променливото фазиране на клапаните.
Какво прави променливото фазиране на клапаните
Системите за променливо фазиране на клапаните позволяват на двигателя да адаптира поведението на клапаните в реално време спрямо променящите се условия на движение. Чрез регулиране на фазовото фазиране, продължителността и хода на клапаните, инженерите могат драстично да променят мощностната характеристика на двигателя без механични компромиси. Потенциалните предимства включват:
- По-голям въртящ момент в по-широк диапазон на оборотите
- По-висока максимална мощност
- Подобрена горивна икономичност
- Намалени вредни емисии
- По-плавен празен ход и по-добра реакция на газта
Видове системи за променливо фазиране на клапаните
Фазови регулатори (Cam Phasers)
Най-разпространеният подход при VVT използва фазов регулатор — хидравлично задействан съединител, който завърта разпределителния вал спрямо колянов вал. С нарастването на оборотите системата изпреварва всмукателния разпределителен вал, като всмукателните клапани се отварят по-рано. Това подобрява пълненето на цилиндъра при високи обороти. Повечето реализации работят само с всмукателния вал, въпреки че двойните системи (като BMW Double VANOS) регулират независимо фазирането на всмукателния и изпускателния вал.
Системи с променлива ширина на фазата
По-усъвършенстваните системи надхвърлят простото изместване на фазата — те могат и да я разширяват или стесняват. Добре познат пример е системата VVTL-i на Toyota, която използва два профила на гърбиците върху един и същи вал:
- Под 6 000 об/мин движението на клапана се управлява от стандартната гърбица
- Над 6 000 об/мин се включва допълнителна гърбица с по-агресивен профил, която разширява фазата и увеличава хода на клапана
- Когато двигателят се доближава до максималните си 8 500 об/мин, това превключване осигурява характерен прилив на мощност — усетим „втори дъх” при интензивно ускорение
Системи с променлив ход на клапаните
Едно е да се промени кога клапаните се отварят — друго е да се промени колко далеч се отварят. Системите с променлив ход, като BMW Valvetronic или Nissan VVEL, позволяват непрекъснато регулиране на хода на всмукателния клапан в зависимост от положението на педала на газта.
Този подход предлага съществено предимство: той може да елиминира необходимостта от конвенционална дроселна клапа. Ето защо това е важно:
- Традиционната дроселна клапа създава частичен вакуум в смукателния тракт при ниско натоварване, което увеличава загубите от помпиране
- Този вакуум забавя потока на газовете, влошава качеството на пълнене на цилиндъра и притъпява реакцията на газта
- Чрез управление на натоварването на двигателя посредством хода на клапаните смукателният тракт остава до голяма степен без ограничения
Резултатите са значителни. Системите с променлив ход на клапаните без дросел типично осигуряват:
- 8–15% подобрение в горивната икономичност
- 5–15% увеличение на максималната мощност и въртящия момент
- Осезаемо по-остра реакция на газта, особено при ниски скорости
Електромагнитно задействане на клапаните
Най-усъвършенстваната концепция в управлението на клапаните заменя изцяло механичните разпределителни валове с електромагнитно задействани клапани. Всеки клапан се отваря и затваря независимо от електронни соленоиди, което дава на системата за управление на двигателя пълна свобода по отношение на фазирането, хода и продължителността за всеки отделен клапан при всеки работен цикъл.
Откритите по този начин възможности са забележителни:
- Перфектно оптимизирано фазиране на клапаните за всеки режим на обороти и натоварване
- Деактивиране на отделни цилиндри при леко натоварване с цел икономия на гориво
- Динамично превключване между работни цикли — например превръщане на четиритактов двигател в шесттактов в движение
- Пълно елиминиране на разпределителния вал и свързаните с него механични загуби
Електромагнитните газоразпределителни механизми остават предимно в изследователско-развойна фаза, но потенциалът им да предефинират ефективността на двигателите с вътрешно горене е значителен. Дали ще достигнат до масово производство в близко бъдеще, предстои да се види.
Заключение
Променливото фазиране на клапаните е една от най-значимите технологии в развитието на съвременните двигатели. Чрез адаптиране на поведението на клапаните към всяко условие на движение — от градски празен ход до пълен газ — системите VVT позволяват на инженерите да създават двигатели, които едновременно са по-мощни, по-икономични и по-екологични в сравнение с конструкциите с фиксирано фазиране.
Въпреки това оптимизирането на фазирането на клапаните има своите граници. За по-нататъшно увеличаване на мощността, въртящия момент и ефективността при даден работен обем все по-голяма роля ще играят други технологии — комбинирани системи за принудително пълнене, двигатели с променлива степен на компресия и алтернативни горива. Но това е тема за друга статия.
Това е превод. Можете да прочетете оригинала тук: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Публикувано Януари 13, 2022 • 6m за четене
