фазовращатель это в автомобиле что такое
Принцип работы фазовращателя
Для чего нужны фазовращатели
ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
Большинство современных ДВС все более активно получают систему изменения фаз газораспределения.
Фиксированные фазы газораспределения заставляют конструкторов ДВС проектировать мотор так, чтобы присутствовала уверенная тяга в диапазоне низких и средних оборотов, но при этом оставался запас мощности для поддержания набранной скорости и дальнейшего ускорения автомобиля при выходе ДВС на режимы около зоны максимальных оборотов.
Система изменения фаз газораспределения VVT (англ. Variable Valve Timing) создана для динамичной корректировки рабочих параметров механизма газораспределения.
Данное управление осуществляется с учетом различных режимов работы силового агрегата.
Эта система позволяет добиться повышения мощности мотора и моментной характеристики. Она обеспечивает экономию горючего, а также снижает токсичность выхлопных газов в процессе работы двигателя.
Кроме этого, она влияет на основные параметры работы газораспределительного механизма. К таким параметрам относят моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, длительность времени открытия клапана и высоту его подъема. От этого зависит продолжительность такта впуска и выпуска, что выражается тем углом, на который повернут коленчатый вал двигателя по отношению к мертвым точкам (ВМТ и НМТ) во время движения поршня в цилиндре. Форма кулачка распределительного вала определяет фазу газораспределения, так как указанный кулачок оказывает прямое воздействие на впускной или выпускной клапан ГРМ.
Для чего необходима система изменения фаз газораспределения
В режиме холостого хода наиболее рациональными становятся «узкие» фазы газораспределения, под которыми понимается позднее открытие и ранее закрытие клапанов. При этом исключается перекрытие фаз, под которым понимается время одновременного открытия впускного и выпускного клапана. Это необходимо для того, чтобы исключить попадание выхлопных газов во впуск и выброс топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор.
Выход мотора на режим максимальной мощности означает повышение оборотов, так как распредвал крутится быстрее и время открытия клапанов сокращается. Для того чтобы не терялась мощность и крутящий момент на высоких оборотах сохранялся, в двигатель должно поступать намного больше топливно-воздушной смеси, а выпуск отработавших газов должен быть реализован максимально эффективно. Задача решается путем раннего открытия клапанов и увеличения времени их открытия, делая фазу «широкой». Фаза перекрытия также расширяется до максимума с ростом оборотов, что необходимо для качественной продувки цилиндров.
Если мотор работает на низких оборотах, нужны максимально короткие фазы газораспределения.
Время открытия клапана должно быть увеличено до максимума, параллельно обеспечивая такты впуска и выпуска, а также эффективное перекрытие.
Сам кулачок распредвала имеет форму, которая способна обеспечить как реализацию узкой, так и широкой фазы.
Проблема заключается в том, что фиксированная форма кулачка не позволяет одновременно добиться узких и широких фаз газораспределения.
Системы изменения фаз газораспределения
система поворота распредвала;
кулачки распредвала с различным профилем;
система изменения высоты подъема клапанов;
система на основе гидроуправляемой муфты;
Работа указанных выше систем основывается на небольшом повороте распредвала по ходу его вращения. Такой способ позволяет добиться раннего открытия клапанов сравнительно с их базовым начальным положением.
Поворот распредвала осуществляется при помощи электроники управления и гидравлики, а сама система чаще всего затрагивает только впускные клапаны. Рост оборотов ДВС приводит к тому, что фазовращатель осуществляет проворот распредвала по ходу его вращения, впускные клапана открываются раньше и цилиндры намного более эффективно наполняются рабочей смесью в режиме высоких оборотов.
Данная муфта конструктивно включает в себя:
ротор, который соединен с распредвалом;
корпус, которым выступает шкив привода распредвал.
В определенные полости, которые расположены между ротором и корпусом-шкивом, попадает моторное масло из системы смазки ДВС. Масло в муфту подается по особым каналам. Когда моторное масло заполняет одну или другую полость муфты, осуществляется поворот ротора по отношению к корпусу. Этот поворот ротора означает, что и распределительный вал будет повернут на необходимый угол.
Чаще всего местом установки гидроуправляемой муфты становится привод того распределительного вала, который отвечает за работу впускных клапанов. Встречаются также конструкции ДВС, когда подобные муфты-фазовращатели стоят как на впускном распредвале, так и на выпускном. Данное решение позволяет шире и эффективнее регулировать параметры работы ГРМ на впуске и выпуске, но усложняет механизм.
Фазовращатели ГРМ
Электронное управление автоматически регулирует работу гидроуправляемой муфты.
Система такого управления включает в себя:
группу входных датчиков;
электронный блок управления;
список исполнительных устройств.
Система управления получает показания от датчика Холла, который производит оценку положения распредвалов. Дополнительно задействованы и другие датчики, которые используются ЭБУ для управления работой всего двигателя.
К таковым относят датчик, измеряющий частоту вращения коленвала, температурный датчик охлаждающей жидкости (ОЖ), датчик расхода воздуха и другие. Сигналы от этих датчиков подаются в ЭБУ, который после отправляет соответствующий сигнал на специальное управляющее (исполнительное) устройство.
Таким устройством, на которое воздействует электронный блок управления двигателем, является электромагнитный клапан (электрогидравлический распределитель). Клапан представляет собой распределитель, который при необходимости открывает доступ потоку моторного масла к гидроуправляемой муфте, а также реализует отвод масла от фазовращателя. Это зависит от того, в каком режиме работает силовой агрегат.
Данная схема изменения фаз газораспределения с использованием муфты задействуется в момент работы двигателя на холостом ходу, (мотор работает на самых низких оборотах), в режиме максимальной мощности на высоких оборотах, а также в том режиме, когда осуществлен выход ДВС на максимум крутящего момента.
Система ступенчатого изменения фаз газораспределения
Здесь используются решения, основанные на использовании кулачков распредвала разной формы. Благодаря такому способу удается достичь ступенчатого изменения момента времени, на который открывается клапан, а также изменить саму высоту подъема клапанов. Распределительный вал в таких системах управления фазами газораспределения выполнен так, что имеет сразу два кулачка малого размера, а также один кулачок большего размера. Меньшие кулачки при помощи специального рокера (коромысла) соединяются с впускными клапанами. Большой кулачок отвечает за перемещение одного незадействованного коромысла.
Трехступенчатое регулирование фаз газораспределения
Такая система позволяет переключаться с малых кулачков на большой зависимо от режима работы ДВС. Переход между режимами достигается благодаря тому, что происходит срабатывание специального механизма блокировки. Указанный блокирующий механизм основан на гидравлическом приводе.
Когда мотор работает на низких оборотах и при незначительной нагрузке, впускные клапаны приводятся в действие малыми кулачками распределительного вала, фазы газораспределения в таком режиме имеют небольшую продолжительность (узкая фаза).
Если двигатель раскручивается до определенных оборотов, система управления активирует механизм блокировки. В результате происходит соединение коромысел малых и большого кулачков, что обеспечивает жесткость конструкции. Соединение происходит при помощи особого стопорного штифта, а усилие на впускные клапаны начинает поступать от единственного большого кулачка. Малые кулачки распредвала на высоких оборотах двигателя становятся неактивными.
Выход на режим максимальных оборотов заставляет впускные клапаны работать от центрального кулачка большого размера. Указанный кулачок имеет особый профиль, который специально подобран для достижения максимального подъема клапанов, что означает повышение отдачи от ДВС на мощностных режимах работы агрегата. Такой подход значительно расширил возможности управления параметрами ГРМ для эффективного регулирования работы двигателя на различных режимах.
Системы изменения фаз газораспределения
В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования.
Чтобы варьировать фазами газораспределения, необходимо изменять положение распределительного вала относительно коленчатого.
Холостой ход. 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. Перекрытие клапанов уменьшается для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.
Режим средних нагрузок. Перекрытие клапанов увеличивается, что позволяет снизить «насосные» потери, при этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет снизить температуру рабочего цикла и вследствие этого содержание оксидов азота в отработавших газах.
Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала. На этом режиме обеспечивается раннее закрытие впускных клапанов, что обеспечивает увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно в транспортном потоке.
Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала. Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо 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.
Главными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:
Для чего нужны фазовращатели
Чтобы это понять что такое фазовращатели и зачем они нужны, прочтите для начала полезную информацию. Все дело в том, что двигатель работает не одинаково на различных оборотах. Для холостых и не высоких оборотов идеальными будут «узкие фазы», а для высоких – «широкие».
Узкие фазы – если коленчатый вал вращается «медленно» (холостой ход), то объем и скорость отвода отработанных газов также невелики. Именно здесь идеально применять «узкие» фазы, а также минимальное «перекрытие» (время одновременного открытия впускных и выпускных клапанов) – новая смесь не проталкивается в выпускной коллектор, через открытый выпускной клапан, но и соответственно отработанные газы (почти) не проходят во впускной. Это идеальное сочетание. Если же сделать «фазирование» — шире, именно при невысоких вращениях коленчатого вала, то «отработка» может смешаться с поступающими новыми газами, снизив тем самым ее качественные показатели, что однозначно снизит мощность (мотор станет неустойчиво работать или даже заглохнет).
Широкие фазы – когда обороты растут, соответственно растет и объем и скорость перекачиваемых газов. Здесь уже важно быстрее продувать цилиндры (от отработки) и быстрее загонять в них поступающую смесь, фазы должны быть «широкими».
Конечно же руководит открытиями обычный распределительный вал, а именно его «кулачки» (своеобразные эксцентрики), у него есть два конца – один как бы острый, он выделяется, другой просто сделан полукругом. Если конец острый — то происходит максимальное открытие, если округлый (с другой стороны) – максимальное закрытие.
НО у штатных распределительных валов – НЕТ регулировки фаз, то есть они их не могут расширить или сделать уже, все же инженеры задают усредненные показатели – что-то среднее между мощностью и экономичностью. Если завалить валы в одну из сторон, то эффективность, либо экономичность двигателя упадет. «Узкие» фазы, не дадут ДВС развивать максимальную мощность, а вот «широкие» — не буде нормально работать на малых оборотах.
Вот бы регулировать в зависимости от оборотов! Это и было изобретено – по сути это и есть система регулирования фаз, ПО ПРОСТОМУ — ФАЗОВРАЩАТЕЛИ.
Принцип работы
Сейчас не будем лезть вглубь, наша задача понять, как они работают. Собственно обычный распредвал на конце имеет распределительную шестерню, которая в свою очередь соединяется с ремнем или цепью ГРМ.
Распредвал с фазовращателем на конце имеет немного другую, измененную конструкцию. Здесь располагаются две «гидро» или электроуправляемые муфты, которые с одной стороны также зацепляются за привод ГРМ, а с другой стороны с валами. Под воздействием гидравлики или электроники (есть специальные механизмы) внутри этой муфты могут происходить сдвиги, таким образом, она может немного поворачиваться, тем самым меняя открытие или закрытие клапанов.Нужно отметить, что не всегда фазовращатель устанавливается на два распредвала сразу, бывает что один находится на впускном или на выпускном, а на втором просто обычная шестерня.
Как обычно процессом руководит ЭБУ, которая собирает данные с различных датчиков двигателя, таких как положения коленчатого вала, холла, частота вращения двигателя, скорости и т.д.
Сейчас я вам предлагаю рассмотреть основные конструкции, таких механизмов (думаю так у вас больше проясниться в голове).
Зачем менять фазы газораспределения
Задача механизма газораспределения — обеспечить наивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения, зависит экономичность мотора, мощность и развиваемый момент.
Качество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.
В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.
В большинстве современных двигателей фазы меняться не могут. И работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопа) в цилиндре, а также во впускном и выпускном трактах меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.
Так, например, для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.
При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.
Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Вот так задачка!
Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими.
А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них — применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. 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.
Но неуёмные 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 тойотовской системе после достижении 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, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.
Изменять момент и продолжительность открытия — это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).
Чем вредна заслонка? Она ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно приводит? К большой инертности разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшению качества наполнения цилиндра свежим зарядом, снижению отдачи и уменьшению скорости отклика на нажатие педали газа.
Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения нужного наполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По разным данным, экономия от применения системы бездроссельного управления может составлять от 8% до 15%, прирост мощности и момента в пределах %. Но и это не последний рубеж.
Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.
В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы — прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?
Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это — уже совсем другой разговор.
Фазовращатели (vanos, vvt-i, cvvt)
Почти на всех современных двигателях есть фазовращатели. Как оно работает написано везде, и везде написано, что это очень хорошо, но какая в них польза? Для начала надо вспомнить какие двигатели были в 80-х — 90-х годах, когда не было фазовращателей.
Если двигатель делали под джип или тяжелую машину, он выдавал много мощности на низких оборотах — 1500-3000 (дефорсированный), на высоких оборотах (по которым считают мощность двигателя) он выдавал 40-50 лс/1 л объема двигателя. Т.е. 2 литра — всего 80-100 лс. На таких двигателях ощущался провал мощности после 4500-5000 оборотах, но на оборотах, на которых люди ездят в обычной жизни в потоке машин (1500-3000) он очень хорошо тянул и мало ел бензина.
Второй тип — это двигатель для легкового автомобиля — он старался равномерно тянуть на всех оборотах и плавно поднимать мощность до самой отсечки на 6000-6500 об. На нем можно и ехать в потоке на легкой машине и погонять раскручивая двигатель до предела. Литровая мощность тут была 60-65 лс. Т.е. если двигатель объем 1,6 л — то мощность 96-104 лс.
И третий тип — двигатели для спортивных машин: спортивных версий хэтчбеков, седанов, купе и т.д. Как правило, они выдавали 70-100 лс на литр. Ужасно тянули на низких оборотах, жрали много бензина, но раскручивались выше 7000 об., дарили владельцу спортивный подхват после 3500-5000 об и спортивный рев. Гонять на таком одно удовольствие, он буд-то сам заставляет тебя надавить педаль газа и разогнать его до отсечки.
В основном этого эффекта можно добиться очень просто, можно повернуть распредвал двигателя на 1-2 зуба против часовой (прибавиться мощность на низах), или по часовой стрелке (на холостых оборотах могут появиться вибрации и повысится расход бензина, но зато появится подхват после 4000, звук станет спортивнее и мощности станет больше). Сам делал такие эксперименты на Lancer 9 (1,6 л), после того как менял самостоятельно ремень ГРМ, заметил, что раньше распредвал стоял со сдвигом на 1 зуб по часовой, в сервисе, видимо, накосячили и машина так прошла не один десяток тысяч км, кстати такое бывает часто и особо этого не заметишь. Т.к. крутить распредвал на 1 зуб не вредно, год экспериментировал, крутил туда-сюда на 1 зуб. По мощности разница была как писал выше. По расходу бензина — если двигатель был настроен на низа, то расход был на 0,5 л меньше, от нормального состояния, если распредвал повернут на высокие обороты — то расход был на 0,5 л выше.
Так вот фазовращатели делают это сами и крутят распредвал на большие углы чем 1 зуб. Они управляются инжектором и меняют угол распредвала постоянно, стараясь выдавать максимум мощности на низах и верхах. Казалось бы какая полезная штука.
А теперь самое интересное. В 90-х годах, когда фазовращатели начали устанавливать на дорогие машины — бмв и мерседес. Лишнюю мощность на высоких оборотах двигатели не получили, зато на низах 2х литровый двигатель тянул как 2,3 литра, а кушал как 1,6-1,8 л. И обычный водитель, двигаясь в стандартном потоке машин на 1500-3000 об., получил больше мощности и меньший расход бензина — идеально. Такие двигатели сравнивали с троллейбусными (электродвигателями), потому что у них была очень ровная тяга на всех оборотах.
Но в 2000-х годах продолжалась гонка вооружений, надо было повышать мощность (хотя максимальная мощность была достигнута еще в конце 80-х с появлением инжекторов с электронной системой зажигания, в 90-х воткнули 4 клапана на цилиндр и еще повысили мощность). Фазовращатели начали настраивать на высокие обороты, поэтому при обычном движении они стали полностью бесполезны, просто в технических характеристиках было больше лошадей — это полезно для маркетинга и продаж (журналисты туда смотрят и хвалят, покупатели сравнивают перед покупкой мощность разных машин, выбирают помощнее), а то что они доступны только на 5000-6000 об. и люди редко (а кто-то никогда) выкручивают двигатель до таких значений, никого до сих пор не волнует, машины надо продавать и точка. Да и найти график мощности к двигателю очень тяжело, его просто так производители не раскрывают, хвастаться то нечем.
Но есть исключения. Например мой двигатель в пежо 207 с двумя фазовращателями — ET3 объемом 1,4 литра и мощностью всего 88 лс. (у Соляриса 1,4л выдавал 107 лс). Да и любая машина с фазовращателями и низкой литровой мощностью, проблема в том, что таких мало.
Ниже куча графиков мощности, и можно увидеть, что на маленьком пежо с 1,4л мощность на 2000 примерно такая же как у 2-х литрового двигателя без фазовращателей (lancer 9 2,0, бмв 320 и 520 (520 е34 кстати весила 1,5 тонны и на них неплохо гоняли) — в районе или чуть больше 25 кВт — 34 лс.