Эффективность двигателя — включая мощность, крутящий момент, топливную экономичность и токсичность выхлопа — определяется десятками точно согласованных параметров. Один из наиболее критичных, но часто недооцениваемых — это фазы газораспределения: точный момент открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов в каждом цикле двигателя. Системы изменения фаз газораспределения (VVT) были разработаны для оптимизации этих фаз во всех режимах движения и кардинально изменили работу современных двигателей.
Как управляются клапаны в обычном двигателе
В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания впускные и выпускные клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Форма кулачков определяет три ключевых характеристики:
- Момент открытия — когда клапан открывается и закрывается относительно положения поршня
- Продолжительность — как долго клапан остаётся открытым (ширина фазы)
- Подъём — насколько клапан поднимается от своего седла
В большинстве традиционных двигателей эти фазы фиксированы — профиль распредвала никогда не меняется, независимо от того, стоите ли вы в пробке или разгоняетесь на шоссе. Эта жёсткость является принципиальным ограничением.
Почему фиксированные фазы газораспределения — это проблема
Поведение газов в цилиндре, впускных и выпускных каналах существенно меняется в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя. Скорость потока постоянно изменяется, а волны давления во впускном и выпускном трактах могут как улучшать, так и ухудшать наполнение цилиндров в зависимости от момента открытия клапанов. Поэтому единственная фиксированная настройка фаз газораспределения не может быть оптимальной для всех режимов работы.
Вот как идеальные фазы газораспределения различаются в двух типичных режимах:
- На холостом ходу: Лучше всего работают узкие фазы — позднее открытие и раннее закрытие клапанов с минимальным или нулевым перекрытием (кратким периодом, когда оба клапана — впускной и выпускной — открыты одновременно). Это предотвращает попадание отработавших газов обратно во впускной коллектор и выброс несгоревшей смеси в выпускную систему.
- При максимальной мощности: Необходимы широкие фазы — клапаны должны открываться раньше и оставаться открытыми дольше, чтобы максимальный объём топливовоздушной смеси поступал в цилиндры. Более широкая фаза перекрытия также помогает эффективнее продувать отработавшие газы на высоких оборотах.
Разработчики двигателей вынуждены идти на сложные компромиссы. Единственный фиксированный профиль распредвала должен одновременно обеспечивать:
- Высокий крутящий момент в нижнем и среднем диапазоне оборотов
- Приемлемую максимальную мощность
- Стабильный холостой ход
- Хорошую топливную экономичность и низкий уровень выбросов
Удовлетворить все эти требования с одним статичным профилем кулачка практически невозможно — именно поэтому и была изобретена система изменения фаз газораспределения.
Что делает система изменения фаз газораспределения
Системы изменения фаз газораспределения позволяют двигателю адаптировать работу клапанов в реальном времени в зависимости от условий движения. Регулируя момент открытия, продолжительность и подъём клапанов, инженеры могут кардинально изменить характеристику двигателя без механических компромиссов. Потенциальные преимущества включают:
- Увеличение крутящего момента в более широком диапазоне оборотов
- Более высокую пиковую мощность
- Улучшенную топливную экономичность
- Снижение токсичности выхлопных газов
- Более мягкий холостой ход и улучшенный отклик на нажатие педали газа
Типы систем изменения фаз газораспределения
Фазовращатели (муфты изменения фаз)
Наиболее распространённый подход в системах VVT — использование фазовращателя — гидравлически управляемой муфты, поворачивающей распределительный вал относительно коленчатого. По мере роста оборотов система опережает впускной распредвал, заставляя впускные клапаны открываться раньше. Это улучшает наполнение цилиндров на высоких оборотах. В большинстве конструкций система воздействует только на впускной распредвал, хотя двойные системы (например, BMW Double VANOS) независимо регулируют фазы впускного и выпускного распредвалов.
Системы изменения ширины фазы
Более продвинутые системы не ограничиваются простым смещением фазы — они также могут её расширять или сужать. Хорошо известный пример — система VVTL-i от Toyota, использующая два профиля кулачков на одном валу:
- Ниже 6 000 об/мин управление клапанами осуществляет стандартный кулачок
- Выше 6 000 об/мин управление берёт на себя вторичный кулачок с более агрессивным профилем, расширяющий фазу и увеличивающий подъём клапана
- По мере приближения оборотов к отсечке на 8 500 об/мин этот переход сопровождается характерным приливом мощности — заметным «вторым дыханием» при интенсивном разгоне
Системы изменения подъёма клапанов
Изменить момент открытия клапанов — одно дело, а изменить насколько они открываются — совсем другое. Системы изменения подъёма клапанов, такие как BMW Valvetronic или Nissan VVEL, позволяют непрерывно регулировать подъём впускного клапана в зависимости от положения педали газа.
Этот подход имеет существенное преимущество: он позволяет отказаться от традиционной дроссельной заслонки. Вот почему это важно:
- Традиционная дроссельная заслонка создаёт разрежение во впускном тракте при малой нагрузке, увеличивая потери на насосный ход
- Это разрежение замедляет поток газов, ухудшает качество наполнения цилиндров и притупляет отклик на педаль газа
- Управляя нагрузкой двигателя через подъём клапанов, можно оставить впускной тракт практически без ограничений
Результаты весьма значительны. Системы с регулировкой подъёма клапанов без дроссельной заслонки, как правило, обеспечивают:
- Улучшение топливной экономичности на 8–15%
- Прирост пиковой мощности и крутящего момента на 5–15%
- Заметно более острый отклик на педаль газа, особенно на малых скоростях
Электромагнитный привод клапанов
Наиболее передовая концепция управления клапанами предполагает полный отказ от механических распредвалов в пользу электромагнитного привода клапанов. Каждый клапан открывается и закрывается независимо с помощью электронных соленоидов, что даёт системе управления двигателем полную свободу в управлении моментом открытия, подъёмом и продолжительностью каждого клапана в каждом цикле.
Возможности, которые это открывает, поистине впечатляют:
- Идеально оптимизированные фазы для любых оборотов и нагрузки
- Индивидуальное отключение цилиндров при движении с малой нагрузкой для экономии топлива
- Динамическое переключение между тактами сгорания — например, преобразование четырёхтактного двигателя в шеститактный на ходу
- Полное устранение распредвала и связанных с ним механических потерь
Электромагнитный привод клапанов пока в основном находится на стадии исследований и разработок, однако его потенциал для переосмысления эффективности двигателей внутреннего сгорания весьма значителен. Войдёт ли эта технология в серийное производство в ближайшем будущем — покажет время.
Итоги
Система изменения фаз газораспределения — одна из наиболее значимых технологий в современном двигателестроении. Адаптируя работу клапанов к каждому режиму движения — от езды в городе до разгона с полностью открытым дросселем — системы VVT позволяют инженерам создавать двигатели, которые одновременно мощнее, экономичнее и чище, чем конструкции с фиксированными фазами.
Тем не менее оптимизация фаз газораспределения имеет свои пределы. Дальнейшее повышение мощности, крутящего момента и экономичности при заданном рабочем объёме будет всё больше зависеть от других технологий — комбинированных систем принудительного наддува, двигателей с переменной степенью сжатия и альтернативных видов топлива. Но это уже тема для другой статьи.
Это перевод. Оригинал можно прочитать здесь: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Опубликовано Январь 13, 2022 • 6м на чтение
