Выбор распредвала. Фазы, подъём, профиль кулачков
Распредвал впускает рабочую смесь в двигатель и выпускает отработавшие газы. Распредвалы отличаются высотой кулачка, его профилем (он может быть острым, круглым или "квадратным"), и фазой открытия клапана.
В стандартном моторе ВАЗ с 16 клапанами распредвал открывает клапаны на 7.6 мм на впуске, и столько же на выпуске. Фаза открытия клапанов 256 градуса. Такие распредвалы дают на моторе объёмом 1.5 литра мощность в 91 лошадиную силу.
Фаза открытия достаточно большая, но подъём расчитан на тягу с низких оборотов. На заводе уделили больше внимания городской езде, и максимальная мощность и скорость стандартного автомобиля искуственно ограничена в угоду неспешной езде и стоянию в пробках. 16 клапанный мотор имеет огромный скрытый потенциал для увеличения мощности, высота подъёма клапана может доходить до 14 мм, почти в 2 раза больше, чем на стандартном. Увеличение кулачков распредвала не только увеличивает мощность, но и максимальную скорость.
Почему же у стандартного мотора максимальные обороты 5500? Мощность двигателя увеличивается с увеличением оборотов, потому что за один оборот мотор "съедает" фиксированное количество рабочей смеси ( воздух с топливом). Таким образом если на 3000 оборотах мотор выдаёт 45 лошадиных сил, то на 5500-6000 оборотах он выдаёт 90л/с. Дальнейшей прибавки мощности не происходит.
Почему? Дело в том, что воздух не успевает проходить через клапаны на такой скорости, и дальнейшее увеличение оборотов приводит к падению мощности двигателя. Это называется коэффициент наполнения цилинров, когда двигатель имеет объём 1,5 литра, а за полный цикл способен "всосать" 1,125 л воздуха. Коэффициент наполнения в таком случае 75%, как у стандартного мотора. С ростом оборотов эти значения ещё больше уменьшается, и двигатель теряет мощность.
На спортивных же моторах коэффициент достигает 100%, или даже 120% за счёт динамического наддува (встречный поток воздуха) и продувки цилиндров за счёт инерции уходящих выхлопных газов.
Если ваш автомобиль не служит для перевозки картошки с дачи, и вы хотите оживить его характер, или даже поучавствовать в гонках типа "драгрейсинг", вам нужно расширять дыхательную систему вашего мотора.
Увеличение подъёма клапана и увеличение размера клапана дают почти одинаковый эффект, и позволяют увеличить наполнение цилиндров рабочей смесью. Увеличивается максимальная мощность и скорость автомобиля за счёт сдвигания пика работы мотора в зону высоких оборотов. Но, клапаны нельзя увеличить очень сильно на стандартном моторе, так как для них просто не хватит места. Да, места в нашей камере сгорания действительно маловато
Широкая фаза на распредвалу атмосферных двигателей нужна не только для того, что бы максимально наполнить цилиндры воздухом, и быстрее выпустить отработавшие газы. Когда фаза впуска и фаза выпуска достаточно большие, они накладываются друг на друга, это называется перекрытием клапанов. То есть фаза выпуска ещё не завершена, а уже открывается впускной клапан.
На стандартном распредвале перекрытия почти нет, это обеспечивает хорошую тягу на низких оборотах. На высокофорсированных моторах перекрытие достигает несколько десятков градусов. Это нужно для того, что бы использовать инерцию вылетающих отработавших газов для заполнения цилиндров свежей смесью. Дело в том, что в конце такта выпуска выхлопные газы со скоростью звука "комом" двигаются по выпускным трубам, создавая эффект поршня, и давление в выпускном коллекторе в определённый момент падает ниже атмосферного. Вот в этот момент и нужно открыть впускной клапан, что бы свежая рабочая смесь заполнила цилиндр. Этот эффект достигается только на высоких оборотах, а на низких оборотах перекрытие клапанов абсолютно бесполезно, даже снижает мощность двигателя.
Распредвал для турбо моторов отличается от спортивных атмосферных распредвалов. На турбо моторе задача стоит так же — наполнить цилиндры как можно большим количеством рабочей смеси, и быстрее выпустить отработавшие газы. На высокофорсированных турбированных двигателях подъём и размер клапана должны обеспечивать проходимость большого количества газов с минимальными усилиями. А с фазами, и перекрытием дела обстоят несколько иначе, чем на атмосферных двигателях.
Как мы уже знаем, перекрытие клапанов на атмо моторе даёт эффект продувки цилиндров, в то время как на турбо моторе наполнение происходит с помощью буста. И если применять распредвалы от "бодрого атмосферника" с широкой фазой, например 316 градусов, то при перекрытии впускного и выпускного клапанов происходит падение эффективности буста, на низких и средних оборотах, и появляется большая "турбояма". Буст начинает работать только в зоне высоких оборотов, и рост мощности не эластичен, а пикообразен.
Поэтому на турбо моторах применяют распредвалы с небольшим перекрытием, как на стандартном моторе, рекомендуемая фаза 280 градусов. Подъём и размер клапана желательно использовать максимально-возможные для используемой ГБЦ.
Фаза — это момент открытия и закрытия клапанов относительно положения коленчатого вала (КВ). На что влияет увеличение или уменьшение фазы можно понять на примере сравнения процессов в стандартном газораспределительном механизме (ГРМ) и ГРМ с использованием тюнингового распредвала.
В стандартном ГРМ в первом такте работы двигателя впускной клапан открывается сразу же, как только поршень начинает свое движение к НМТ. При использовании тюнингового распредвала с увеличенными фазами газораспределения. В первом такте впуска поршень начинает свое движение к НМТ, а впускной клапан все еще закрыт, и когда в цилиндре образуется достаточное разряжение — впускной клапан открывается и топливно- воздушная смесь буквально врывается в камеру сгорания.
Поскольку при высоких оборотах появляется инертность при заполнении топливно-воздушной смесью камеры сгорания, таким образом, мы увеличиваем скорость наполнения цилиндра, что очень важно при повышенных оборотах.
Теперь рассмотрим фазу выпуска на стандартном распредвале. Дойдя до НМТ, поршень начинает такт вытеснения отработанных газов через выпускной клапан. Выпускной клапан открывается вместе с началом движения поршня и закрывается в конце такта. При использовании тюнингового распредвала с широкими фазами процесс приобретает несколько иной вид. После воспламенения рабочей смеси поршень совершает работу и движется к НМТ.
В конце своего движения работа практически равна нулю, и, что бы ускорить освобождение камеры от выхлопных газов, имеет смысл начать открывать впускной клапан. Что и происходит при использовании тюнингового распредвала.
Перекрытие клапанов — это момент, когда клапан впуска и клапан выпуска одновременно находятся в открытом состоянии, то есть выпускной клапан еще не закрылся, а впускной уже открылся. Поршень в этот момент находится в ВМТ. Одновременное открытие клапанов необходимо для так называемой продувки цилиндра, когда отработанные газы увлекают за собой рабочую смесь через клапан впуска. ( к слову сказать здесь нам может помочь настроенный выпускной коллектор или «паук») Величина перекрытия выражается в мм ( в стандартном ГРМ перекрытия равны практически 0)
Почему распредвалы с большой фазой нестабильно работают на холостом ходу?
Ну, во-первых, при использовании широкофазных валов в начале такта сжатия впускной клапан все еще открыт и часть топливно-воздушной смеси уходит во впускной канал. Во-вторых в конце рабочего хода поршня выпускной клапан уже открыт и давление в цилиндре падает, вместо того что бы совершать полезную работу.
Итак, на основании вышесказанного можно сделать вывод, что распредвалы с большим подъемом и широкой фазой лучше выбирать только для спорта, потому что их установка требует много доработок, и езда в городском режиме очень некомфортна, а постоянное выкручивание двигателя в зону высоких оборотов приводит к уменьшению ресурса. Поэтому для тюнинга можно рекомендовать распредвал с широкой фазой и небольшим подъемом.
Влияние конструкции распредвала на работу двигателя
Влияние конструкции распредвала на работу двигателя
Существует три важных характеристики конструкции распредвала: величина подъема клапанов, продолжительность открывания клапана и фазы газораспределителя распредвала. О них поговорим в данной статье и рассмотрим влияние конструкции распредвала на работу двигателя.
Подъем клапана измеряется в миллиметрах и представляет максимальное расстояние, на которое клапан отходит от седла. Продолжительность открывания клапанов — это отрезок времени, измеряемый в градусах поворота коленчатого вала. Продолжительность измеряется после того, как клапан поднялся от седла на малую величину, часто составляющую 0,5 или 1,2 мм.
Каждый из критериев конструкции распредвала связан с другими и модификация одного повлияет, как другие улучшат или ухудшат работу двигателя. Но, вообще говоря, увеличение подъема клапана и продолжительности его открывания или оптимизация фаз газораспределения увеличивают мощность.
После небольшого увеличения подъема клапана и продолжительности его открывания, кривая мощности смещается выше в область оборотов. Когда продолжительность открывания и, в меньшей степени подъем увеличиваются еще больше, двигатель даже неспособен работать на низких оборотах.
‘Гоночные’ распредвалы с большой продолжительностью открывания имеют низко-оборотный предел ‘холостого хода’ (2000 об/мин). Распредвалы с большой продолжительностью открывания можно сделать ‘цивилизованными’ путем изменения моментов открывания и закрывания клапанов, но компромиссом будет максимальная мощность.
Из трех главных критериев распредвала, продолжительность открывания хорошо известна среди конструкторов форсированных двигателей. Такое понимание происходит из-за непосредственной манеры влияния продолжительности открывания на мощность двигателя. Можно сказать, что чем дольше удерживаются открытыми клапаны, тем большая максимальная мощность двигателя будет получена. Если продолжительность открывания клапана увеличивается более определенной величины, дополнительная максимальная мощность будет получена ценой качества работы двигателя на низких оборотах.
Для гоночных применений максимальная мощность является практически единственной целью, но для ‘обычных’ автомобилей с форсированными двигателями очень важными являются приемистость и крутящий момент на низких оборотах.
Увеличение подъема клапана полезна в увеличение мощности, т. к. может добавить мощность без существенного влияния на характеристики двигателя на низких оборотах. В теории конструкция распредвала с короткой продолжительностью открывания клапанов для увеличения максимальной мощности. Теоретически это будет работать. Однако, механизмы привода клапанов не такие простые. В этом случае высокие скорости движения клапанов, обуславливаемые этими профилями, существенно уменьшают надежность двигателя.
Когда продолжительность открывания клапана уменьшается, то на перемещение клапана из закрытого положения до полного подъема и возвращения обратно остается меньше времени. Когда продолжительность становиться еще короче, потребуются клапанные пружины с увеличенным усилием и часто становится механически невозможным приводить в движение клапаны даже при относительно низких оборотах.
Что влияет на максимальный подъем клапана?
Распредвалы с величиной подъема, большей 12,7 мм, находятся в той области, которая непрактична для обычных двигателей. Распредвалы с продолжительностью такта впуска менее 280 о , сочетающейся с величиной подъема клапана более 12,7 мм, обеспечивают высокие скорости открывания и закрывания клапанов. Это создает нагрузки на механизм привода клапанов, что уменьшает надежность кулачков распредвала, клапанных пружин, стержней клапанов, направляющих втулок клапанов.
Хотя вал с высокими скоростями подъема клапанов может хорошо работать сначала, срок службы его и направляющих втулок клапанов может не превышать 20 000 км. К счастью, большинство фирм-производителей распредвалов конструируют валы так, что обеспечивается хороший компромисс между значениями подъема и продолжительности открывания клапанов, при долгом сроке службы и надежности.
В предыдущей части мы рассмотрели 7 основных событий, происходящих в двигателе внутреннего сгорания. Для того чтобы лучше понять работу распредвалов, необходимо научится их читать. Для этого предлагаю посмотреть на следующую картинку:
Здесь отлично видно, что и когда происходит. Теперь уберем цилиндры и рассмотрим подробно диаграмму распредвалов.
1. Duration — полная фаза открытия клапана. Как вы заметили на диаграмме 2 вида полной фазы. 270* — многие любители именно этой цифрой оперируют. Это значение в реальности нам НИЧЕГО НЕ ГОВОРИТ. Название advertised duration или running timing (seat-to-seat timing) – Что это? Во времена войны между производителями распредвалов (в 50-60 годах) seat-to-seat timing метод стал популярным, как один из путей продвижения, рекламирования своей продукции. Поэтому этот метод часто называется advertised duration или по-русски – рекламируемая полная фаза. Многие знают такое правило, что больше значит лучше, вот они и дали вам эти значения больше и все.
Раньше энтузиасты тюнинга хорошо разбирались в фазировании ( cam timing) т.е. момент открытия, закрытия впускного и выпускного вала. Метод очень простой и очень правильный. Обозначается так 24-60/60-24 – впускной клапан открывается 24* перед ВМТ (BTDC), закрывается 60* после НМТ (ABDC). Выпускной клапан открывается 60* перед НМТ (BBDC) и закрывается 24* после ВМТ (ATDC). Это называется фазирование распредвала.
Advertised duration метод внес много путаницы. Точную фазу очень сложно определить, к примеру разница между гидро и жестким толкателем составляет 10-15 градусов. Поэтому был введен новый способ обозначения 0.05 inch. Многие сразу заметили что этот метод более удобный и точный. Если возьмем типичный уличный (4 клапана) мотор с степенью сжатия 10.5, с тюниговым впуском и выпуском,то наиболее подходящих вал должен иметь полную фазу при 0.05 in duration — 215-230 градусов с гидро компенсаторами, и 230-240* с жесткими толкателем.
2. Lobe separation angle (LSA) — общий развал кулачков. Часто еще называют Lobe Center Angle (LCA)
3. ICA — Intake center angle или Intake Centerline – момент максимального подъема впускного клапана
4. ECA — Exhaust center angle или Exhaust Centerline — – момент максимального подъема выпускного клапана
Если ICA реально показывает момент в градусах после ВМТ,когда максимальный подъем клапана (кулачка), или ECA – перед ВМТ, то Lobe Center Angle LCA (LSA) немного сложнее, он высчитывается по формуле: LSA=(ICL+ECL)/2
— EVO – открытие выпускного клапана
— IVO – открытие впускного клапана
— EVC – закрытие выпускного клапана
— IVC – закрытие впускного клапана
— OverLap – перекрытие, момент когда впускной и выпускной клапана открыты. Overlap = IVO+EVC
Чтобы хорошо прочувствовать работу распредвалов, вы должны всегда держать в голове выше приведенную диаграмму, схему – это очень важно.
Я вам напишу формулы, но имея перед глазами схему вы всегда сами все сделаете. Вот основные:
— ICL = (Intake duration/2) – IVO
— ECL = (Exhaust duration/2) – EVC, или ECA=(2*LCA)-ICA
— overlap = IVO+EVC, или ((InDur + ExDur)/4-LSA)*2
Для чего нужно знать всякие ICA, ECA, LSA? Если вы внимательно посмотрите на диаграмму, то увидите, что эти значения не изменяются в зависимости от метода измерения полной фазы при 0.05 inch или advertised seat-to-seat duration,следовательно, если вы с ними подружитесь, то у вас не будет проблем с пониманием сути процессов.
В распредвалах еще есть такое понятие как подьем клапана (Cam lift). Сам по себе подъем никоим образом не влияет на мощность, так как при подьеме клапана на 25% от его диаметра , воздуха больше не поступит (при очень большом подъеме только ухудшится).
Зачем же тогда спортивные машины используют большой подъем кулачка? Ответ прост – увеличивается скорость подъема и не более.
Также существуют распредвалы с более агрессивной формой кулачка (к примеру Cran’s cam) У них также более интенсивно происходит подъем.
Теперь вы понимаете, что просто значения полной фазы advertise duration не дают нам информацию о распредвале. Даже если мы не говорим о самом главном – моментах открытия и закрытия клапанов (их фазы), полная фаза также не корректна – зависит от подъема, формы кулачка, вида толкателя (а их много видов и типов).
Ну вот, теперь мы можем перейти к самому интересному, как подобрать, от чего зависит распредвал т.к. мы теперь можем разговаривать на одном языке.
Предлагаю посмотреть на стандартную спецификацию распредвала, в данном случае для мотора Дюратек 2.0 Форд.
Рекомендации производителя — hot street — dirt track, и все! Да, широкое понятие.
Как вы заметили, они указывают для рекламы advertised duration 280/273, но и естественно необходимую информацию для понимания и правильной установки.
Что важно здесь смотреть:
Полную фазу впускного клапана при подъеме 1 мм – 242* (в данном случае не 0.05 inch, так часто делают, Европейские производители при 1 мм), далее нам необходимо для полной картины ICA, ECA и, в принципе, этого достаточно. Все остальное можно и самому посчитать, но у них великолепная карта, где и так все указано timimg @1.mm – 11-52/42-10. Осталось высчитать Lobe separation angle (LSA) — общий развал кулачков — LSA – (ICA+ECA)/2, LSA = 108, Overlap (перекрытие) – 21, и Total Cam advanca (опережение или задержка), в данном случае задержка (retard) 2 градуса.
Да вал очень прикольный, но мне кажется не удачный в том варианте, как они предлагают установить. По их спецификации получается, что необходимо иметь степень сжатия как минимум 12.5 (ну в принципе стандартная FIA разрешенная для ралли, гонок) хорошую систему впуска, и выпуска. Короче если вы просто установите эти валы на ваш мотор (сток) дюратек то особо вас это не порадует.
Да, все-таки правило «БОЛЬШЕ-ЭТО ЛУЧШЕ» работает, но только в рекламе, а не в постройке хорошего мотора и подборе распредвалов. Я понимаю, все слышали, видели, что спортсмены используют валы с полной (рекламной) фазой под 300, а некоторые и 320 (если 2 клапана на цилиндр то фаза должна быть на 19* шире), но спортивные моторы совсем другие и задачи у них также иные.
Главное, что влияет на полную фазу (не рекламную)-это конечно ход поршня и степень сжатия, а уж потом обороты двигателя и совсем немного диаметр цилиндра.
— больше ход поршня (stroke) – шире полная фаза (duration)
— выше степень сжатия — шире полная фаза (duration)
— выше обороты двигателя — шире полная фаза (duration)
Если мы продолжим делать наш мотор дюратек 2.0 (начало в 1 части), как помните мы не собирались трогать сам мотор (его блок) т.е. степень сжатия 10.8 остается, то нам для этих целей(пик мощности при 7200 оборотов)подходит впускной распредвал с полной фазой при открытии клапана 0.05 дюйма – 236 градусов. В принципе этот вал от фирмы CAT CAMS duration 242 @0.05 нам по этим параметрам подходит (там потери будут минимальны) да еще и возможность впоследствии поднять обороты. Но что же не так, почему не будет при такой установке(как написано в спецификации) ощутимого прироста мощности?
Теперь пришло время суммировать то, что было в 1 части и что написано здесь. Как я уже писал в двигателе 7 процессов, событий, которые связаны между собой. Эффективность этих процессов зависит от фазировки распредвалов, а именно от ( EVO, EVC, IVO, IVC) открытие и закрытие клапанов, а за это отвечает распредвал (распредвалы).
EVC и IVO не так важны по раздельности, но вот вместе даже очень (особенно закрытие выпускного клапана EVC exhast valve cloused) — Overlap – перекрытие (оба клапана открыты). Важность момента закрытия выпускного клапана составляет около 50% от важности закрытия впускного клапана. IVC – наиболее критичный момент, отвечающий за наполнение цилиндров. ПРОЦЕСС 2 — ВПУСК (УТРАМБОВКА/) (INTAKE RAMMING). Ну и как следствие влияет и на ПРОЦЕСС 3 — СЖАТИЕ.
Рассмотрим на примерах именно влияние фазирования распредвалов.
Есть такое понятие: тюнинг валов, не говоря уже о всевозможных VCT Variable Cam Timing (изменяемые фазы газораспределения) или Ti-VCT на двух распредвалах. На моторах форд такие системы применяются,применялись на моторах Zetec 2.0 L – выпускной распредвал, на форд СТ 170 также такая система была, но на впускном распредвале, и использовалась на форд пума. Система Ti-VCT используется на современных моторах Форд, но вот дюратек, к сожалению, нет. Но это не беда. В этом вам может помочь разрезная шестерня (но можно при желании и без нее).
Давайте опустим техническую часть, это вам сможет сделать любой нормальный автомеханик, но вот как и куда двигать они не все знают.
На небольших гоночных моторах 1.6 — 2.0 литра с хорошими клапанами и правильно сделанными каналами наиболее оптимальным (дает самый большой средний spread разброс мощности) — является LSA 102* градуса. Впускной клапан закрывается достаточно рано, уменьшая при этом intake reversion, выталкивание поступающего воздушного заряда в процессе 2, когда поршень идет вверх.
Поэтому цилиндр будет наполняться лучше в среднем диапазоне оборотов и, как следствие, увеличение мощности. Также будет увеличено перекрытие (overlap), в связке с хорошим потенциалом поступающего воздуха (система впуска, головка блока цилиндров) и при правильно настроенной системе выпуска, которая обеспечит хороший инерционный момент отработанных газов, поможет улучшить наполняемость цилиндров на высоких оборотах.
Конечно, более позднее закрытие выпускного клапана создаст проблемы на низких оборотах, потому что выходящие газы имеют в этом диапазоне мало инерции, они не создадут разряжения и будут поступать обратно в камеру сгорания. Эти горячие газы займут много места, ограничив поступление тем самым свежего заряда топливо-воздушной смеси и уменьшат мощность и ухудшат холостой ход.
Если для вас это проблема, к примеру машина не только для гонок, то сделайте LSA скажем 105* градусов и ситуация значительно улучшится.
Бывает и такая ситуация, когда все сделано очень хорошо (может даже слишком), да еще и в сочетании с хорошо спроектированным выпускным коллектором, всей системой выпуска, может случиться другая проблема. На высоких оборотах система выпуска может over scavenge – перепродуть (см. процесс в 1 части), она не только создаст разряжение помогающее очистить, вытянуть отработанные газы, но еще и потянет за собой и свежепоступающий заряд. До определенного уровня это нормально, в гоночном моторе скажем для драг райсинга, где экономия топлива не важна, но при подготовке мотора для многочасовых гонок этот момент нельзя упускать. На этом фоне может понизиться и мощность.
Решением этой проблемы может быть:
— более широкий LSA
— или выпускной кулачок с меньшей полной фазой
— или с меньшим подъемом
Если вы планируете выступать в гоночном классе, где есть ограничения по системе впуска (сток впуск, заслонка, рестриктор), по доработке впускного и выпускного каналов, распредвал с более широким LSA работает лучше. Маленькая дроссельная заслонка, впускные раннеры, каналы обеспечат высокую скорость поступающего воздуха во впускном тракте, что улучшит средний диапазон мощности (улучшив наполняемость цилиндров на средних оборотах). Высокая скорость это значит и большая инерция не допустит реверса поступающего свежего заряда в момент, когда поршень идет вверх (ПРОЦЕСС 2 — ВПУСК (УТРАМБОВКА) (INTAKE RAMMING). Но т.к. мы расширим LSA, впускной клапан будет закрываться позже, то на высоких оборотах даст больше времени для наполнения цилиндров свежим зарядом воздуха. Со стороны выпуска, открытие выпускного клапана раньше даст цилиндрам больше времени для выталкивания отработанных газов через тонкие выпускные каналы, раннеры коллектора. Следовательно, меньше мощности мотора будет использовано для выталкивания газов после того, как клапан открывается на такте выпуска.
Более узкий LSA — общий развал кулачков помогает улучшить средний диапазон мощности, но если слишком увлечься этим, то можно ухудшить верхний диапазон из-за перепродувки, а на низких оборотах и холостом ходу будут ухудшения из-за exhaust reversion.
Если мы посмотрим на эту ситуацию со стороны характеристик каналов, ели у нас впуск и выпуск ограничены, то неплохо работает более широкий угол развала кулачков LSA. Если у нас все сделано правильно, то средний угол (LSA около 104-106 для гоночного мотора, 108-110 для дорожного двигателя). Однако, на двигателе с хорошим потоком на впуске, но достаточно средним на выпуске, лучше будет узкий угол. Как вы помните, наиболее важный момент-это закрытие впускного клапана.
Система изменения фаз газораспределения – что это и как работает
Очень часто при описании автомобилей зарубежных концернов рядом с мотором стоят какие-то непонятные аббревиатуры. VTEC, MIVEC, VVTi – и так далее, вариантов очень много. Несмотря на различные названия речь всегда идет об одном и том же – системе изменения фаз газораспределения, просто из-за патентов и интеллектуального права все разрабатывают системы и называют их по-своему, но суть у всех одна. Вот о ней мы и расскажем.
Газораспределительный механизм
Что это
Даже поверхностно знакомый с устройством мотора водитель знает, что в головке блока цилиндров есть распределительный вал, который при вращении управляет открытием и закрытием клапанов. Для этого на валу есть специальные кулачки. Конструкторы мотора с помощью формы и размеров кулачков могут очень точно управлять временем открытия клапанов – на какой стадии цикла открываются, на какой закрываются и так далее. Это важные факторы, потому как они напрямую влияют на мощность мотора, его экономичность и эластичность. Грамотный подбор кулачков – секрет стабильной работы мотора.
Распредвал с разновеликими кулачками
С механической точки зрения тема изучена давно, любой автомобильный инженер хорошо знает как менять характеристики кулачков, чтобы улучшить поведение мотора, а словосочетание «спортивные валы» уже стало именем нарицательным – замена распредвалов на спортивных автомобилях позволяет очень заметно увеличить мощность мотора. Если так, то в чем проблема? А она в том, что оптимальное время открытия и закрытия клапанов разное в зависимости от оборотов мотора и силы нажатия водителем на дроссель. На низких оборотах нужны одни характеристики, на высоких – другие, но кулачки – это готовое металлическое изделие, которое не может подобно терминатору Т-1000 по первому требованию сменить форму.
Устройство
На специализированных машинах эту проблему решают в ущерб непрофильным режимам работы, например, спортивные автомобили очень плохо едут на низких оборотах и не экономят топливо, зато около «красной зоны» тахометра выдают максимум. На гражданских машинах используются усредненные показатели, максимальных характеристик в таком случае мотор не показывает, но зато работает стабильно во всех режимах.
Совершенно логично, что инженеры еще на заре автомобилестроения начали думать, как бы реализовать возможность менять фазы подъема клапанов в зависимости от ситуации. Несмотря на то, что разные патенты появлялись еще с 1920-х годов, задача на практике оказалась очень непростой, первое серийное использование системы фаз газораспределения относится только к 1980-м годам. Первыми были инженеры Alfa Romeo, но за ними быстро подтянулись и другие, особенно после того как с развитием компьютерной техники появилась возможность электронного управления.
Как работает
Несмотря на то, что все эти VTEC, MIVEC, VVTi и прочая-прочая ставят одинаковые цели и в целом про одно и то же, реальное техническое решение по управлению клапанами у инженеров разных компаний могут отличаться. Чтобы не расширять статью сверх меры и не путать читателей, мы решили не разбирать все системы, а остановиться на одной из них, а именно VTEC от компании Honda. Даже в рамках одного производителя система управления клапанов работает по-разному, и на примере VTEC легко наблюдать как развивались технологии.
Первый мотор с управлением фаз газораспределения инженерам Honda удалось выпустить в конце 1980-х годов. Это был мотор B16A, легендарный силовой агрегат. Управление фазами там было реализовано с помощью того, что на распредвале было не два кулачка, а три, кроме того стоял дополнительный клапан, который по команде от ЭБУ увеличивал давление масла. Под действием давления выдвигались специальные штифты и клапанами управляли уже не основные кулачки, а третий, дополнительный, который был настроен на высокие обороты. В головку блока встроили дополнительный датчик давления масла, благодаря которому ЭБУ понимал, когда «включать» дополнительный кулачок. Вместе с переходом на иную фазу распределения ЭБУ менял углы зажигания и увеличивал подачу топлива. Суммарно это давало отличный эффект – атмосферный мотор 1,6 развивал на максимальных оборотах (около 7000-7500 в минуту) мощность 160 л.с. К тому же система получилась надежной.
Двигатель Honda B16A
Добившись хороших результатов в плане мощности, инженеры переключились на экономичность. Вторая версия системы VTEC имела уже три режима работы. Кулачков на все не напасешься, поэтому в некоторых режимах клапанами начали управлять специальные рокеры, которые приводились в действие все тем же давлением масла через клапан. Появился экономичный режим, когда на низких оборотах при слабом нажатии на педаль газа система открывала только один впускной клапан, второй в смесеобразовании почти не участвовал. В среднем режиме открывались уже оба клапана, в мощном в дело вступал дополнительный кулачок. И мощность увеличили, и экономичности добавили! Правда, сама система была более капризной из-за наличия дополнительных элементов.
Устройство VTEC
К началу нулевых годов инженерам Honda стало ясно, что увеличивать количество кулачков на распредвале не вариант – их там просто негде размещать, потому они придумали другое решение, которое получило название i-VTEC. Кулачки оставались на месте, но смещаться вдоль своей оси получил возможность распредвал. Шестерня, которая приводит распредвал в движение, стала фактически гидравлическим механизмом, который может менять положение распредвала в пространстве. При смещении оси перемещаются рабочие участки на кулачках, клапаны открываются и закрываются уже по-другому. Самый большой плюс от такой реализации – заметное увеличение количества режимов работы. Положений распредвала, конечно, не бесконечное количество, но всяко больше, чем можно физических кулачков нанизать, а значит компьютер имеет много вариантов по управлению смесеобразованием. Изменение фаз стало постоянным, можно сказать, онлайн, а не только при смене режима. Ну а шестерни, которые меняют положение коленвала в пространстве, в народе начали называть фазовращателями. С атмосферного мотора в 1,6 литра стали снимать уже по 200 л.с.
Шестерни VTEC
В конце «нулевых» годов вопрос экономичности и снижения токсичности выхлопа уже начал стоять более остро, чем увеличение мощности. Тут система распределения фаз тоже очень пригодилась. Сначала японские инженеры придумали так настроить кулачки, чтобы в такте сжатия приоткрывался впускной клапан. Естественно, часть топливо-воздушной смеси возвращалась во впускной коллектор. Там она как следует перемешивалась с новой порцией воздуха и в следующий такт снова поступала в цилиндры. Мощность от таких манипуляций немного падала, но зато ниже стал и расход топлива, которое стало лучше смешиваться с воздухом. Вредные выбросы удалось снизить.
Почти следом у Honda появилась система VCM, которая умеет отключать часть цилиндров в ненагруженных режимах. Идею японские инженеры подсмотрели у коллег, а вот с технической реализацией все так же помогла система распределения фаз. Кулачки настроены так,чтобы в некоторых режимах просто не открывать впускные клапана у части цилиндров – в них топливо не поступает, а ЭБУ корректирует это на уровне программы.
Двигатель с системами VTEC и VCM
Позже инженеры Honda смогли адаптировать систему изменения фаз для работы с непосредственным впрыском, что позволило еще сильнее увеличить экономичность. В некоторых режимах мотор может стабильно работать на суперобедненной смеси 65:1 (напомним, что стандартом считается отношение 14,7:1), что заметно снижает расход топлива. Еще одна версия VTEC получила возможность работать совместно с турбонаддувом.
Немного про минусы
Не у всех автоконцернов работы по изменениям фаз шли в такой последовательности, да и успехи по части регулировки фаз тоже часто до хондовских не дотягивали. Однако, в целом, ретроспектива систем VTEC позволяет понять как развивалась инженерная мысль в вопросе регулирования фаз. Понятно, что за этим будущее, ведь изменение времени открытия клапанов позволяет и расход снизить, и мощность повысить. Но есть и определенные минусы – моторы становятся дороже и сложнее по конструкции, а сама система изменения фаз – дополнительный элемент, который может (и увы на практике это часто делает) сломаться, снижает надежность мотора,повышает требование к качеству масла, требует денег на обслуживание. Недаром многие бюджетные машины до сих пор обходятся без систем управления фаз. Например, на АвтоВАЗе первый фазовращатель появился только в 2015 году на моторе 1,8, тогда как все версии 1,6 (даже 16-клапанные) обходятся без него. Мощность, конечно, несравнимая, но цена вопроса тоже имеет значение.
Двигатель 1.8 ВАЗ 21179 с одним фазовращателем — находится справа. Фото — drom.ru