Многие скептически относятся к современным двигателям, считая, что их усложнение привело к увеличению риска поломок и затруднило ремонт. Однако стоит ли так однозначно судить? Сегодня мы расскажем о технологии, которая одной из первых столкнулась с необходимостью усложнения, но при этом открыла новые горизонты для повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания. Речь идет о системе изменения фаз газораспределения.
От паровых двигателей до ДВС
История системы изменения фаз газораспределения (VVT, Variable Valve Timing) окутана множеством мифов и заблуждений. Различные источники указывают на разные временные рамки и изобретения. Однако можно с уверенностью сказать, что первые прообразы этой технологии появились в начале XX века. Хотя механизмы изменения продолжительности открытия клапанов использовались еще на паровых двигателях.
В 1903 году компания Cadillac представила модель Runabout/Tonneau с впускным клапаном, конструкция которого позволяла регулировать высоту подъема. Заявка на патент была подана 3 августа 1903 года, а патент №767,794 был выдан 16 августа 1904 года. Эти даты стали важной вехой в истории автомобилестроения. Таким образом, корни этой «современной» технологии уходят в прошлое, и обвинять в ее появлении уже некого: все изобретатели давно ушли из жизни.
Настоящая популярность VVT пришла во второй половине 1970-х – начале 1980-х годов. Тогда Alfa Romeo и Nissan начали внедрять эту технологию в серийные автомобили. Первой массовой моделью с VVT стал Alfa Romeo Spider 2000, выпущенный в 1980 году.
В этот период к разработке системы подключилась Honda. Инженеры компании значительно усовершенствовали технологию, создав систему изменения фаз газораспределения и подъема клапанов с электронным управлением – Variable Valve Timing & Lift Electronic Control (VTEC). Это событие стало поворотным моментом в развитии VVT, и технология начала стремительно распространяться по всему миру.
Современное применение VVT
Сегодня практически все автопроизводители используют системы изменения фаз газораспределения в том или ином виде. Хотя эти системы могут работать по-разному, их цель остается неизменной. Вот несколько примеров:
- Subaru: система активного управления клапанами (AVCS).
- Nissan: система непрерывного изменения фаз газораспределения (CVVTCS).
- Hyundai, Kia и Volvo: система непрерывного изменения фаз газораспределения (CVVT).
- Ford: система независимого изменения фаз газораспределения Ti-VCT.
- BMW: системы Valvetronic (регулирует высоту поднятия впускного клапана) и VANOS (контролирует моменты открытия и закрытия клапанов).
По времени и высоте
Что представляет собой современная система изменения фаз газораспределения? По сути, это комбинация двух механизмов: один управляет временем открытия и закрытия клапанов, а другой – их подъемом. С точки зрения маркетинга и восприятия потребителями, эти механизмы могут быть представлены как отдельные продукты (например, у BMW) или объединены в один (как у Honda). Однако мы сосредоточимся на технических аспектах, избегая излишних деталей.
Основу системы составляет фазорегулятор, или фазовращатель. Этот механизм включает два ключевых элемента: ротор, жестко связанный с распределительным валом, и внешний статор (корпус), соединенный с цепью или ремнем ГРМ.
В нормальных условиях работы ротор и статор вращаются синхронно, как в традиционных двигателях. Однако при подаче масла под давлением соленоидного клапана, управляемого блоком управления, внутренние полости фазорегулятора изменяют скорость их вращения. Это позволяет регулировать фазы газораспределения, открывая и закрывая клапаны раньше или позже в зависимости от частоты вращения двигателя.
На низких оборотах VVT закрывает клапаны раньше, уменьшая объем всасываемого воздуха и снижая потери на всасывание и выбросы. Позднее закрытие впускных клапанов также способствует контролю количества топливно-воздушной смеси, попадающей в камеру сгорания, что снижает уровень выбросов.
Кроме того, фазорегулятор может раньше открывать впускные клапаны, позволяя выхлопным газам возвращаться в коллектор. Это помогает регулировать температуру в камере сгорания и дополнительно снижает выбросы, заменяя систему рециркуляции отработавших газов (EGR) в некоторых случаях.
Системы с регулируемым подъемом клапанов, использующие кулачки с различным профилем, позволяют ЭБУ оптимизировать подачу топлива и воздуха в зависимости от оборотов. На низких оборотах это снижает расход, а на высоких – увеличивает подачу, достигая оптимальных эксплуатационных характеристик.
Следует отметить, что системы VVT могут быть установлены либо на одном впускном валу, либо на обоих (Dual VVT или DVVT), обеспечивая регулирование как впускного, так и выпускного валов.
Дополнительные возможности
Некоторые двигатели, особенно с высокой степенью сжатия, используют задержку закрытия впускных клапанов, чтобы позволить поршням дольше сжимать топливно-воздушную смесь перед воспламенением. Этот метод, известный как «позднее закрытие впускного клапана», активно применяется современными автопроизводителями в разработке турбомоторов. Он снижает эффективную степень сжатия, предотвращает детонацию и позволяет использовать топливо с более низким октановым числом. Это повышает топливную экономичность и уменьшает эксплуатационные расходы.
В гибридных автомобилях или моделях с деактивацией цилиндров можно реализовать алгоритм отключения выпускного клапана при определенных условиях работы. Это предотвращает попадание выхлопных газов в цилиндр, превращая его в «воздушный насос» и снижая насосные потери, что увеличивает общую эффективность двигателя.
Также в двигателях с турбонаддувом или механическим нагнетателем фазы газораспределения впускных и выпускных клапанов настраиваются для работы с этими системами. Это улучшает управление подачей топливовоздушной смеси и продувкой цилиндров, повышая производительность двигателя.
Плюсы и минусы
Система VVT обеспечивает одно из ключевых преимуществ — возможность двигателя развивать большую мощность и крутящий момент. Точный эффект заключается в увеличении крутящего момента на низких оборотах и мощности на высоких.
Топливная экономичность — еще одно важное преимущество. Регулировка фаз газораспределения на впуске и выпуске, а также синхронизация работы клапанов для более эффективного сгорания топлива, снижают насосные потери, повышают тепловой КПД и улучшают топливную экономичность, особенно при малых нагрузках и в крейсерском режиме.
Использование системы изменения фаз газораспределения также снижает количество несгоревшего топлива и вредных выбросов, включая угарный газ и оксиды азота.
Система VVT способствует более плавной и тихой работе двигателя, оптимизируя синхронизацию работы клапанов и снижая вибрацию, что повышает стабильность на холостом ходу и при низких оборотах. Это увеличивает срок службы и надежность двигателя.
Двигатели с VVT обеспечивают плавное ускорение, лучшую реакцию на педаль акселератора и более высокий акустический комфорт, что улучшает впечатления от вождения.
Однако система изменения фаз газораспределения имеет свои сложности. Она состоит из механических, гидравлических и электронных компонентов, что делает её более сложной по сравнению с традиционными двигателями с фиксированными фазами газораспределения. Это повышает вероятность возникновения неисправностей и усложняет их диагностику, увеличивая стоимость обслуживания и ремонта.
Первоначальная цена двигателя с VVT также выше, чем у обычного двигателя.
Кроме того, наличие системы VVT требует использования моторного масла, которое должно быть чистым и соответствовать спецификациям автопроизводителя. VVT зависит от давления масла, и его загрязнения могут привести к закупорке каналов соленоидов и сбоям в работе системы. Низкий уровень масла или его несоответствующая вязкость также могут вызвать проблемы.
Таким образом, система изменения фаз газораспределения является значительным шагом вперед в развитии технологий двигателестроения. Она позволяет современным автомобилям развивать высокую мощность и экономичность, несмотря на усложнение конструкции и повышение затрат на обслуживание.
