О чем речь? Фазы газораспределения отвечают за своевременное открытие и закрытие клапанов впуска и выпуска в двигателе. В одних моторах они смещаются принудительно, а в других – нет. Последние установлены на современных моделях авто.
На что обратить внимание? Для принудительного изменения фаз газораспределения используется фазовращатель, который работает за счет муфты, ступенчатых кулачков и регулировки высоты клапана. От правильности работы всей системы зависит расход топлива.
В этой статье:
Устройство и задачи фаз газораспределения
Фазы являются постоянным параметром для основной массы выпускающихся сегодня автомобильных двигателей. По этой причине не все моторы работают эффективно, поскольку давление газов в цилиндрах ДВС, впускном и выпускном коллекторах определяется режимом работы мотора.
Устройство и задачи фаз газораспределения
Скорость движения газов постоянно меняется, при этом газообразная среда является упругой, что вызывает появление колебаний и возникновение резонансов (положительные явления) либо застой (негативные явления). Это приводит к изменчивости эффективности и интенсивности заполнения цилиндра, исходя из оборотов ДВС.
На современных автомобилях используются как силовые установки, работающие с постоянными фазами, так и моторы, в конструкцию которых входит регулятор фаз газораспределения с учетом режима работы ДВС. Они и будут предметом рассмотрения в данной статье.
На традиционном двигателе внутреннего сгорания фазы остаются постоянными, они регулируются экспериментально-расчетным методом в процессе проектирования и серийного выпуска. На современных моторах с изменяемыми фазами обеспечивается повышенная производительность и экономичность.
В автомобилестроении фазой называют временной интервал между открытием газораспределительных клапанов и их закрытием. Этот параметр обозначается градусами поворота коленчатого вала и рассчитывается как соотношение между начальным и конечным моментом тактов.
Газораспределительный механизм обеспечивает максимальное заполнение камеры сгорания и ее очистку при эксплуатации мотора. Правильностью настройки фаз определяется производительность и топливная эффективность ДВС, наибольший крутящий момент.
Устройство и задачи фаз газораспределения
На основной массе ТС используются двигатели с неизменными фазами, что снижает их эффективность, поскольку заполнение цилиндров разнится на каждом режиме эксплуатации двигателя.
В частности, при холостом ходе двигателя происходит позднее открывание и ранее закрытие клапанов (короткие фазы). Впускные и выпускные клапаны оказываются открытыми одновременно в течение минимального времени (отсутствует период перекрытия). В результате предотвращается проникновение выхлопов во впускной коллектор и затекание топлива в выхлопной патрубок.
При максимальных оборотах двигателя ситуации иная: чем выше мощность, тем меньше временной интервал, когда клапаны открыты. Чтобы двигатель вышел на максимальную производительность, цилиндры должны пропустить достаточный объем газа. Для этого клапаны должны оставаться открытыми в течение более продолжительного времени, чем на холостых оборотах, то есть необходимо, чтобы фазы были как можно шире.
В процессе разработки конструкции двигателя инженерам приходится решать множество взаимоисключающих задач, поскольку на одних фазах от мотора требуется достаточная тяга и на высоких, и на средних оборотах, и в то же время надо давать необходимую производительность на максимальных оборотах. Одновременно с этим нужно добиться стабильной работы ДВС на холостом режиме, оптимальной топливной эффективности и экологичности. Требуется находить разумный компромисс.
Для изменения фаз газораспределения используют так называемый газораспределительный механизм, его устройство включает в себя:
- кулачковый распределительный вал (на разных двигателях обычно устанавливается один или два таких вала);
- клапанный механизм;
- привод, соединяющий коленвал с распределительным валом (посредством ремня или цепной передачи).
При эксплуатации мотора выполняется несколько тактов, при каждом из которых впускные и выпускные клапаны находятся в строго определенном положении. Начальное и конечное состояния фазы определяются положением коленчатого вала в соответствующий момент. Кроме того, на фазы влияет профиль кулачков распределительного вала и их положение. При их одинаковом состоянии на выпуске и на выпуске длительность открытия клапанов фаз газораспределения также оказывается идентичной.
Устройство и задачи фаз газораспределения
Виды фаз газораспределения
Разберем последовательно работу фаз газораспределения четырехтактного двигателя.
Впуск
Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, коленвал смещается на угол 180 градусов. Выпускной клапан закрывается, а затем открывается впускной с опережением на 12 градусов.
Сжатие
Поршень движется от НМТ к ВМТ, коленчатый вал смещается еще на 180 градусов. Выпускной клапан закрыт, впускной открыт до тех пор, пока коленвал не повернется на 40 градусов.
Рабочий ход
Поршень движется от ВМТ к НМТ под давлением горящей топливной смеси. Впускной клапан закрыт, выпускной клапан открывается прежде, чем коленчатый вал дойдет до 42 градусов до НМТ. Коленвал смещается на 180 градусов или 540 градусов от исходного положения.
Выпуск
Поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая сгоревшие газы. Впускной клапан закрыт (откроется за 12 градусов до ВМТ), выпускной клапан открывается до поворота коленвала на 10 градусов после достижения ВМТ. Всего коленвал поворачивается еще на 180 градусов.
На фазы ГРМ влияют профиль и положение кулачков распределительного вала. Если они одинаковы на впускном и выпускном такте, то продолжительность открытия тактов тоже одинакова.
Системы изменения фаз газораспределения
Гидроуправляемая муфта системы фаз газораспределения
Чаще всего в механизме фаз газораспределения используют смещение шестерни распределительного вала за счет давления масляной жидкости, например в системах Vanos, VVT-I b VCP. В них шестерня распредвала сдвигается по ходу движения, за счет чего достигается раннее открытие клапанов и ускоренное вращение распределительного вала. При увеличении оборотов растет и давление масляной жидкости, которое и приводит в движение шестерню. Подобная установка фазы газораспределения вкачает в себя:
- ротор, сопряженный с распредвалом;
- корпус, который в то же время является и шкивом распределительного вала.
Ступенчатая регулировка фаз газораспределения
В ходе развития моторостроения специалисты смогли достичь больших успехов в настройке фаз сужения и расширения газораспределения и их влияния на двигатель. Такая регулировка обеспечивается ступенчатыми кулачками. Такой механизм применяется на моторах Honda (VTEC), Mitsubishi (MIVEC) и Toyota (VVTL-i).
В таких механизмах на распредвале находятся два кулака одной и той же формы, плюс один кулачок увеличенного размера. Кулачки меньшего размера соединяются с клапаном посредством рокера, увеличенный кулачок обеспечивает движение незадействующего коромысла.
Системы изменения фаз газораспределения
В зависимости от оборотов двигателя происходит переключение с малого кулака на большой и обратно, что обеспечивает сдвиг фазы газораспределения. Плавность перехода достигается за счет гидравлического блокиратора.
На низких и средних оборотах мотора используются узкофазные малые кулачки, на максимальных оборотах включается широкофазный кулачок увеличенного диаметра.
Система регулировки подъема клапана
Подобный газораспределительный механизм впервые появился на авто марки БМВ с системой Valvetronic. В ней отсутствует дроссельная заслонка, объем поступающего воздуха регулируется за счет изменения высоты подъема клапана. Строго говоря, дроссельная заслонка есть, однако она постоянно находится в открытом положении и не выполняет свою традиционную функцию.
Для предотвращения разрежения оптимально открывать клапан только в тот момент, когда необходимо наибольшее наполнение цилиндра топливно-воздушной смесью. Продолжительность открытия клапана определяется временем нажатия на педаль акселератора. Система Valvetronic обеспечивает сокращение расхода горючего на 15 % при росте мощности на 10 %.
Конструкция механизма Valvetronic включает в себя вал-эксцентрик и промежуточный вал. Вал приводится в движение электрическим двигателем с червячной передачей. Вал в процессе вращения воздействует на промежуточный рычаг, а тот приводит в движение коромысло в положении, соответствующем режиму работы мотора.
Высота подъема клапана может изменяться от 0,2 до 12 мм, механизм работает непрерывно.
Факторы, влияющие на фазы газораспределения
На большинстве выпускающихся в наши дни транспортных средств сектора фаз газораспределения постоянны при любом режиме работы мотора и никак не настраиваются. При этом может изменяться момент впрыска топлива в камеру сгорания либо подачи искры, что по большей части регулирует процесс горения горючего в цилиндре, но не фазы газообмена.
В целях снижения расхода топлива и повышения производительности ДВС предусмотрен датчик фаз газораспределения, но он устанавливается лишь на некоторых моделях авто в силу сложности конструкции системы.
Факторы, влияющие на фазы газораспределения
Оптимальный газообмен также зависит и от углов открытия и закрытия клапанов, определяющих продолжительность работы фаз.
Так, на углы открытия клапанов влияют следующие факторы:
- динамические характеристики ДВС, конструкция кривошипно-шатунного узла;
- размер тарелок клапанов и вместимость цилиндра;
- октановое число и вид горючего;
- способ образования смеси;
- интенсивность заполнения и плотность воздуха, поступающего в цилиндры. Под наддувом плотность будет выше, чем при нормальном всасывании.
Особенности фаз газораспределения дизельных моторов
Дизельным моторам не требуется механизм, обеспечивающий изменение момента открытия клапанов. Двигатели, в которых смесь воспламеняется от сжатия, не нуждаются в неизменном составе топливно-воздушной смеси. Их особенность в том, что они работают без сбоев и на обедненной смеси с повышенной концентрацией воздуха, поэтому им не требуется повышение содержания кислорода в цилиндре.
Также дизельным моторам не требуется дросселирование, поэтому разрежение во впускном коллекторе минимально, что исключает неполадки с отложенным пуском.
Атмосферные двигатели предыдущего поколения работали медленно, что обусловливало неполадки при заполнении камеры сгорания свежим воздухом.
Поскольку дизель отличается более высокой степенью сжатия, происходит позднее открытие клапана на впуске и закрытие клапана на выпуске. Перекрытие не может возникнуть в принципе.
Несмотря на изложенное, некоторые автопроизводители выпускают дизельные моторы, оснащенные опцией смены фаз. В частности, Mitsubishi производит двигатели 4N1, используемые на автомобилях, экспортируемых в Центральную Европу. Специалисты могут легко идентифицировать их по маркировке DiD MIVEC.
Также газораспределительные механизмы устанавливаются на моторы VAG 1.6 TDI и 2.0 TDI, но они очень требовательны к топливу – должен использоваться бензин не ниже стандарта «Евро-6». Особенность таких ДВС – поперечное размещение клапанов, при котором происходит открытие впускного и выпускного клапанов за счет всего одного фазовращателя.
Следует отметить, что на таких моторах ГРМ стали устанавливать не столько для повышения производительности, сколько для соблюдения жестких экологических стандартов.
Часто задаваемые вопросы о фазах газораспределения
Какие факторы вызывают появление ошибок фаз газораспределения?
При демонтаже и установке ремня привода ГРМ может сдвинуться коленчатый и распределительный валы друг относительно друга, что приводит к неполадкам в работе системы.
Как проявляется неисправность фазовращателя?
Чаще всего о таких поломках говорит треск, который проявляется при запуске холодного двигателя. Источник такого треска найти очень просто.
Допускается ли эксплуатация авто с несправным фазовращателем?
Да, это возможно. Более того, некоторые автомобилисты специально отключают фазовращатель, чтобы избежать лишних финансовых и временных затрат на ремонт. Однако в то же время производительность двигателя падает.
В данной статье мы разобрались, что такое фазы газораспределения. Помимо того, что они позволяют повысить производительность мотора, фазовращатели также обеспечивают снижение концентрации вредных веществ в выхлопных газах, так как топливо сгорает полностью.
Поскольку сегодня в большинстве стран Европы действуют достаточно жесткие экологические стандарты, инженерам приходиться находить новые и совершенствовать имеющиеся конструктивные решения. В противном случае ТС просто не будут допущены к продаже на одном из крупнейших рынков мира. В России об экологии заботятся меньше, поэтому в продаже встречаются преимущественно автомобили, не имеющие системы изменения фаз, да и стоят они значительно дешевле.
