Фазы и механизм газораспределения — как это работает и на что влияет

Клапаны

Клапанное распределение получило наибольшее распространение в силу своей простоты и высокой надежности. Оно позволяет наиболее эффективно воплощать в жизнь назначение газораспределительного механизма.

Задача клапанов – это открытие впускных и выпускных каналов в определенное время. Сам клапан имеет довольно простое строение – головка и стержень. Для впускных и выпускных клапанов головки имеют разные диаметры. Поскольку выпускные при работе нагреваются гораздо больше (так как они контактируют с отработанными нагретыми газами), их делают из теплоустойчивой стали.

На стержнях в верхней части есть выточка для крепления деталей клапанной пружины. Сами они изготовлены полыми, с наполнением из натрия (обеспечивается лучшее охлаждение). Стержни закреплены во втулках, которые делаются из металлокерамики или чугуна. Втулки, в свою очередь, запрессовываются в головки цилиндра.

Принцип VVT-i

В зависимости от условия работы двигателя, система VVT-i плавно изменять фазы газораспределения. Это достигается путем поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных в диапазоне 20-30° (по углу поворота коленвала). В результате изменяется момент начала открытия впускных клапанов и величина времени «перекрытия» (то есть времени, когда выпускной клапан еще не закрыт, а впускной — уже открыт).

Основным элементом устройства является муфта VVT-i интегрированная в шкив, который выполняет роль корпуса муфты. Ротор муфты находится внутри и непосредственно соединен с распределительным валом.

Изначально фазы впускных клапанов установлены таким образом, чтобы добиться максимального крутящего момента при низкой частоте вращения коленвала. После того, как обороты значительно увеличиваются в корпусе муфты сделано несколько полостей, к которым по каналам подводится моторное масло из системы смазки.

Возросшее давление масла открывает клапан VVT-i, заполняя ту или иную полость, обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и, соответственно, смещение распределительного вала на определенный угол.

Кулачки имеют определенную форму и при повороте коленчатого вала открывают впускные клапана немного раньше, а закрывают позже, что благоприятно сказывается на увеличении мощности и крутящего момента на высоких оборотах.

Технология VTEC

VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control) — система динамического изменения фаз газораспределения, фирменная разработка компании Honda. Вначале система VTEC была успешно реализована в двигателях, применяемых в спортивных автомобилях, а затем, после признания и успеха данная система использована на двигателях гражданских автомобилей.

Особенность системы VTEC заключается в том, что возможно конструировать компактные, но очень мощные (в соотношении объем/л.с.) двигатели без применения дополнительных устройств (турбин, компрессоров), при этом технология производства подобных двигателей остается недорогой, а автомобиль с установленной на нем системой VTEC не испытывает проблем, характерных для турбированных автомобилей.

Принцип работы VTEC, в классическом виде по сравнению с другими системами газораспределения, конструктивно выглядит просто, — на распредвале между основными кулачками разместили один дополнительный кулачок большего профиля. Получается, что на каждый цилиндр приходится по одному дополнительному кулачку.

За наполнение топливной смесью камеры сгорания на низких и средних оборотах работы двигателя, отвечают два внешних кулачка, а центральный задействуется на высоких оборотах

Обратите внимание, что непосредственно на клапана воздействуют не кулачки распредвала, а через так называемые коромысла/рокеры, которых тоже три. Внешние кулачки воздействуют на рокеры, обеспечивающие открытие клапанов независимо друг от друга, а центральная пара кулачек-рокер, хотя и работает, но работает, что называется вхолостую

Клапаны имеют минимальную высоту подъема, фазы ГРМ характеризуются малой продолжительностью.

Как только двигатель достигает определенного количества оборотов, т.е. переходит в режим высоких оборотов, система VTEC активируется. Под давлением масла происходит смещение синхронизирующего штифта внутри рокеров таким образом, что все три рокера как бы становятся одной целой конструкцией, и после этого усилие на впускные клапаны передается от большого кулачка распредвала. Таким образом, увеличивается ход клапанов и фазы газораспределения.

При снижении количества оборотов система возвращается в исходную позицию.

Недостатками такой системы являются ступенчатый переход с одного режима на другой и конструктивная сложность реализации процесса блокировки.

Устройство механизма газораспределения

Газораспределительный механизм (ГРМ) состоит из:

• одного или двух кулачковых распределительных валов, на каждый из которых установлена своя шестерня;
• шестерни коленчатого вала;
• цепного или ременного привода.

Число зубьев шестерни распределительного вала всегда в 2 раза больше, чем у шестерни коленчатого вала.

Благодаря этому за два оборота коленчатого вала происходит лишь один оборот распределительного вала. Это позволяет открывать и закрывать клапаны головки блока цилиндров (ГБЦ) в зависимости от такта двигателя. Фазы газораспределения зависят от расположения кулачков распределительного вала. Поэтому на одновальных двигателях возможна только одновременная регулировка фаз впуска и выпуска. На двухвальных двигателях возможна раздельная регулировка фазы впуска и фазы выпуска. Это позволяет оптимизировать работу двигателя под различные режимы.

Когда кулачок распределительного вала доходит до клапана, то начинает давить на него до тех пор, пока клапан полностью не откроется. Затем кулачок проходит дальше и пружина начинает выдавливать клапан, стремясь закрыть его. Как только давление со стороны распределительного вала исчезает, пружина полностью закрывает клапан. Угол поворота распределительного вала, в течение которого впускные или выпускные клапаны одного цилиндра открыты и называется фазой газораспределения.

Тюнинг фаз газораспределения

К сожалению, на двигатели российского производства СИФГ не устанавливается, но многие автомобилисты занимаются тюнингом ДВС, стараясь улучшить характеристики силового агрегата. Классический вариант модернизации мотора – это установка «спортивного» распредвала, у которого смещены кулачки, изменен их профиль.

У такого р/вала есть свои преимущества:

• мотор становится приемистым, четко реагирует на нажатие педали газа;
• улучшаются динамические характеристики автомобиля, машина буквально рвет из-под себя.

Но в таком тюнинге есть и свои минусы:

• холостые обороты становится неустойчивыми, приходится их выставлять в пределах 1100-1200 об/мин;
• увеличивается расход топлива;
• достаточно сложно отрегулировать клапана, ДВС требует тщательной настройки.

Достаточно часто тюнингу подвергаются вазовские двигатели моделей 21213, 21214, 2106. Проблема движков ВАЗ с цепным приводом – появление «дизельного» шума, и часто он возникает из-за вышедшего из строя натяжителя. Модернизация ДВС ВАЗ заключается в установке автоматического натяжителя вместо штатного заводского.

Нередко на модели двигателей ВАЗ-2101-07 и 21213-21214 устанавливают однорядную цепь: мотор с ней работает тише, к тому же цепочка меньше изнашивается – ее ресурс составляет в среднем 150 тыс. км.

https://youtube.com/watch?v=mRnm1GVTUmk

Термин «фаза» означает часть, этап или ступень какого-то процесса. Поэтому впускная и выпускная фазы газораспределения – часть полного цикла работы двигателя внутреннего сгорания. Прочитав статью, вы узнаете, что происходит во время фаз, каким образом двигатель регулирует их и на что влияют фазы газораспределения.

Регулируемый шкив

Его еще называют «шкивом Верньера» или «разрезной шестеренкой». Обеспечивает точную настройку фаз газораспределения. Применяется для корректной настройки тюнинговых и спортивных распредвалов. При замене заводского распредвала на тюнинговый возникает необходимость точной его настройки, т.к. разворот кулачков, углы и другие параметры распредвала отличаются от заводских.

Для этих целей и служит регулируемый шкив распредвала. Регулировка осуществляется с помощью специального измерительного инструмента (микрометров) и заключается в точной установке значений перекрытия клапанов. Только такая точная настройка обеспечивает заявленные производителем распредвалов характеристики.

Сущность и роль фаз газораспределения

На данный момент существуют двигатели, в которых фазы не могут изменяться принудительно, и двигатели, оснащенные механизмами изменения фаз газораспределения (например, CVVT). Для первого типа двигателей фазы подбираются эксперементально при конструировании и расчете силового агрегата.

Нерегулируемые и регулируемые фазы газораспределения

Визуально все они отображаются на специальных диаграммах фаз газораспределения. Верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ соответственно) представляют собой крайние позиции поршня, движущегося в цилиндре, которые соответствуют наибольшему и наименьшему расстоянию между произвольной точкой поршня и осью вращения коленвала мотора. Точки начала открытия и закрытия клапанов (длина фазы) показываются в градусах и рассматриваются относительно вращения коленчатого вала.

Управление фазами осуществляется при помощи газораспределительного механизма (ГРМ), который состоит из следующих элементов:

• кулачковый распредвал (один или два);
• клапанный механизм;
• цепной или ременной привод от коленвала к распредвалу.

Газораспределительный механизм Рабочий цикл двигателя всегда состоит из тактов, каждому из которых соответствует определенное положение клапанов на впуске и выпуске. Таким образом, начало и конец фазы зависят от угла положения коленвала, который связан с распределительным валом, управляющим положением клапанов.

Круговая диаграмма фаз газораспределения Работу фаз газораспределения для четырехтактного двигателя рассмотрим на следующем примере (см. картинку):

1. Впуск. На этом этапе поршень движется от ВМТ к НМТ, а коленвал поворачивается на 180º. Осуществляется закрытие выпускного клапана и последующее открытие впускного. Последние происходит с опережением на 12º.
2. Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, а коленвал совершает еще один поворот на 180º (360º от начального положения). Выпускной клапан остается в закрытом положении, а впускной остается открытым, пока коленвал не повернется на 40º.
3. Рабочий ход. Поршень идет от ВМТ к НМТ под действием силы воспламенения топливовоздушной смеси. Впускной клапан находится в закрытом положении, а выпускной открывается с опережением, когда коленвал еще не дошел 42º до НМТ. На этом такте полный поворот коленвала составляет также 180º (540º от начального положения).
4. Выпуск. Поршень идет от НМТ к ВМТ и при этом выталкивает отработавшие газы. В этот момент впускной клапан закрыт (откроется за 12º до ВМТ), а выпускной остается в открытом положении и после достижения коленвалом ВМТ еще на 10º. Общая величина поворота коленвала на этом такте также 180º (720º от начальной точки).

Фазы грм также зависят от профиля и позиции кулачков распредвала. Так, если они одинаковы на впуске и выпуске, то длительность открытия клапанов также будет одинакова.

Замена ГРМ

Фаза газораспределения — это период от момента открытия клапанов до момента их закрытия, выраженные в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов.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 В большинстве двигателей фазы меняться не могут и работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

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 меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить эту задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими.

При разработке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на компромиссы. Посудите сами.С одними и теми же 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.

Изменяемые фазы газораспределения.

Если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя?

Один из способов это применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. 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.

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 VVTL-i 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 6000—6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

А если попробовать изменять высоту подъёма? Такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет от 8% до 15%, прирост мощности в пределах 5—15 %. Несмотря на то, что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать выше — за счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод заменяется электромагнитным.

В чём плюс электромагнитного привода? Подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем. Даже во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный.

Если Вам понравился материал, поставьте, пожалуйста, лайк в вашей социальной сети.

А что же с нашими ВАЗ?

Как я уже писал сверху, старые моторы (и ВАЗ тут не исключение), имели просто обычную звездочку, на которую одевалась либо цепь, либо ремень ГРМ. Сейчас речь не про новые, а именно про старые.

Как вы догадываетесь, у них были усредненные значения фаз (ну и соответственно перекрытия).

Заводским методом фазы практически никак не настраивались, я сейчас молчу о регулировки клапанов. Также здесь не будет затрагивать спортивные распределительные валы (это уже немного другая тема).

Однако наши умельцы, в гараж и различных тюнинг ателье, ставили так называемые «разрезные шестерни распредвалов». Что это такое? Это шестерня, которая стоит как бы из двух частей: Внутренней части – соединена с распределительным валом.

Внешней части — которая соединяется с цепью – ремнем ГРМ.

Друг с другом они стягиваются болтами, отверстия для этих болтов имеют небольшой ход. То есть эти части могут немного вращаться (на небольшой угол) относительно друг друга. Таким образом можно было изменять угол и методом подбора установить нужную мощность, расход и работу мотора.

НО это скорее исключение из правил, и сейчас современные моторы скажем, на ЛАДА ВЕСТА уже имеют фазовращатели (так что с правильным перекрытием клапанов нет проблем).

Сейчас смотрим видео версию

На этом заканчиваю, думаю, мои материалы были вам полезны. Подписывайтесь на канал, читайте наш АВТОСАЙТ

63,50

Похожие новости

Гидрокомпенсаторы: что это такое и почему они стучат

Иридиевые свечи зажигания. Отзывы, срок службы, плюсы и минусы –.

Би-турбо (Bi-Turbo) и Твин-турбо (Twin-Turbo), двойной наддув – .

Регулятор фаз газораспределения

В начале 90-х годов 20-го века стали выпускаться первые двигатели с автоматической сменой фаз ГРМ, но тут уже не контролировал датчик положения коленвала, а непосредственно сдвигались сами фазы. Принцип работы такой системы следующий:

• распределительный вал соединяется с гидравлической муфтой;
• также с этой муфтой имеет соединения и распредшестерня;
• на холостых и малых оборотах распредшестерня распределительному зафиксированы в стандартном положении, как было установлено по меткам;
• при увеличении оборотов под воздействием гидравлики муфта поворачивает распредвал относительно звездочки (распредшестерни), и фазы ГРМ смещаются – кулачки распределительного вала раньше открывают клапана.

Одна из первых подобных разработок (VANOS) была применена на моторах M50 компании BMW, первые двигатели с регулятором фаз газораспределения появились в 1992 году. Следует отметить, что сначала VANOS устанавливался только на впускном распредвалу (у моторов M50 двухвальная система ГРМ), a c 1996-го стала использоваться система Double VANOS, с помощью которой регулировалось положение выпускного и впускного р/валов.

Какое преимущество дает регулятор фаз ГРМ? На холостом ходу перекрытие фаз газораспределения практически не нужно, и оно в данном случае даже вредит двигателю, так как при смещении распредвала выхлопные газы могут попасть во впускной коллектор, а часть топлива будет попадать в выхлопную систему, полностью не сгорая. Но когда двигатель работает на максимальной мощности, фазы должны быть максимально широкими, и чем выше обороты, тем больше необходимо перекрытие клапанов. Муфта изменения фаз ГРМ дает возможность эффективно наполнять цилиндры рабочей смесью, а значит, повысить КПД двигателя, увеличить его мощность. В тоже время на холостом ходу р/валы с муфтой находятся в начальном состоянии, и сгорания смеси идет в полном объеме. Получается, что регулятор фаз повышает динамику и мощность ДВС, при этом достаточно экономично расходуется топливо.

Как установить фазы газораспределения

На большинстве современных автомобилей, оснащенных механическим ГРМ, фазы газораспределения выставляют одинаково. По ВМТ первого цилиндра. Для этого на корпусе блока цилиндров и ГБЦ, а также на шестернях распределительного и коленчатого валов нанесены специальные метки. В первую очередь совмещают метки коленчатого вала. Затем совмещают метки распределительного (распределительных) валов. После этого надевают и натягивают цепь или ремень, затем проверяют метки. Если метки на месте, коленчатый вал прокручивают 2 или 4 раза и снова проверяют метки. Если метки шестерней распределительного и коленчатого валов совпадают с метками на блоке цилиндров и ГБЦ, то фазы выставлены правильно. Если отличаются, необходимо снять цепь или ремень и повторить все операции.

Регулятор фаз газораспределения

Существует большое количество моделей фазорегуляторов, которые работают по различным алгоритмам. Однако, общий принцип неизменен. Когда двигатель работает на низких оборотах, фазорегулятор сокращает впускную и выпускную фазы. Это позволяет сократить расход топлива.

Когда двигатель начинает работать на высоких оборотах или под нагрузкой, регулятор увеличивает продолжительность фаз, а нередко и точку их начала. Это позволяет не только увеличить мощность и крутящий момент, но и снижает расход топлива. Наиболее популярны модели фазорегуляторов, которые работают на основе центробежного принципа. Чем выше обороты двигателя, тем сильней они натягивают цепь или ремень привода ГРМ, тем самым сдвигая и фазы газораспределения. Благодаря тому, что эти устройства регулируют натяжение ремня или цепи со стороны обоих распределительных валов, они эффективно сдвигают обе фазы. Такие фазорегуляторы не требуют настройки, однако после пробега в 40-70 тысяч километров необходимо менять уплотнительные кольца гидроцилиндров.

Более сложные регуляторы представляют собой систему из датчиков, контроллера двигателя и исполнительных устройств. Однако, принцип их работы точно такой же, как у центробежных. Исполнительное устройство увеличивает или ослабляет натяжение цепи со стороны впускного и выпускного валов. Благодаря этому каждая фаза регулируется отдельно. Такие системы требуют настройки и регулярной проверки. Благодаря тому, что исполнительные механизмы работают от электричества, нет необходимости в регулярной замене уплотнительных колец. Существуют также системы, в которых электронное управление совмещено с гидравлическим приводом. В таких системах регулировка происходит не за счет натяжения цепи, а с помощью увеличения давления внутри шестерни распределительного вала.

Устройство механизма газораспределения

Газораспределительный механизм (ГРМ) состоит из:

• одного или двух кулачковых распределительных валов, на каждый из которых установлена своя шестерня;
• шестерни коленчатого вала;
• цепного или ременного привода.

Число зубьев шестерни распределительного вала всегда в 2 раза больше, чем у шестерни коленчатого вала.

Благодаря этому за два оборота коленчатого вала происходит лишь один оборот распределительного вала. Это позволяет открывать и закрывать клапаны головки блока цилиндров (ГБЦ) в зависимости от такта двигателя. Фазы газораспределения зависят от расположения кулачков распределительного вала. Поэтому на одновальных двигателях возможна только одновременная регулировка фаз впуска и выпуска. На двухвальных двигателях возможна раздельная регулировка фазы впуска и фазы выпуска. Это позволяет оптимизировать работу двигателя под различные режимы.

Когда кулачок распределительного вала доходит до клапана, то начинает давить на него до тех пор, пока клапан полностью не откроется. Затем кулачок проходит дальше и пружина начинает выдавливать клапан, стремясь закрыть его. Как только давление со стороны распределительного вала исчезает, пружина полностью закрывает клапан. Угол поворота распределительного вала, в течение которого впускные или выпускные клапаны одного цилиндра открыты и называется фазой газораспределения.

Способы изменить продолжительность и ширину фаз газораспределения

На сегодняшний день существует несколько типов механизмов, меняющих момент, время и высоту открытия клапанов:

1. В самом простом исполнении это особенная муфта, которая установлена на привод газораспределительного механизма (фазовращатель). Управление осуществляется благодаря гидравлическому воздействию на исполняющий механизм, а контроль выполняет электроника. Когда двигатель работает на холостых оборотах, распредвал находится в изначальном положении. Как только обороты повышаются, электроника реагирует на этот параметр, и активирует гидравлику, которая немного проворачивает распределительный вал относительно первоначального положения. Благодаря этому клапаны открываются немного раньше, что дает возможность быстрее наполнить цилиндры свежей порцией ВТС.
2. Изменение профиля кулачков. Это разработка, которой пользуются автомобилисты уже достаточно давно. Если установить распредвал с нестандартными кулачками, можно заставить агрегат работать с большей эффективностью на повышенных оборотах. Однако такую модернизацию должен выполнять разбирающийся механик, что приводит к большим растратам. В моторах с системой VVTL-i распредвалы имеют несколько комплектов кулачков с разными профилями. Когда ДВС работает на холостых оборотах, свою функцию выполняют стандартные элементы. Как только показатель оборотов коленвала перемещается за отметку в 6 тысяч, распределительный вал немного смещается, благодаря чему в работу вступают другой комплект кулачков. Похожий процесс происходит, когда двигатель раскручивается до 8.5 тысяч, и начинает работать третий комплект кулачков, которые делает фазы еще шире.
3. Изменение высоты открытия клапана. Эта разработка позволяет одновременно изменять режимы работы ГРМ, а также исключить дроссельную заслонку. В таких механизмах нажатие на педаль акселератора активирует механическое устройство, которое влияет на силу открытия впускных клапанов. Такая система обеспечивает сокращение расхода топлива приблизительно на 15 процентов, а также повышение мощности агрегата на столько же. В более современных моторах используется не механический, а электромагнитный аналог. Достоинство второго варианта в том, что электроника способна более эффективно и плавно изменять режимы открытия клапанов. Высота подъема может быть практически идеальной, а время открытия может иметь более широкие пределы по сравнению с предыдущими модификациями. Такая разработка ради экономии горючего может даже отключить некоторые цилиндры (не открывать некоторые клапаны). Такие моторы активируют систему, когда машина останавливается, но ДВС не нужно выключать (например, на светофоре) или когда водитель замедляет авто при помощи ДВС.