Как работают различные типы систем изменения фаз газораспределения?

Система изменения фаз газораспределения, о которой Вы гораздо чаще услышите под конкретными торговыми названиями, такими как VTEC или VVTi - такая система, которая позволяет двигателю значительно улучшить свою мощность и экономичность топлива, а также количество вредных выбросов в выхлопах за счёт динамического изменения времени и продолжительности открытия и закрытия клапанов на разных оборотах мотора. Система изменения фаз газораспределения работает, слегка изменяя поток топлива и воздуха в двигатель и сгоревшей смеси из двигателя за счёт изменения времени относительно такта двигателя и глубины открытия клапанов.

Но чтобы понять, как работает система изменения фаз газораспределения, давайте вспомним (если Вы читали статью о том, как работает двигатель) или узнаем, как работают клапаны во время различных тактов работы мотора.

Современные двигатели имеют клапаны в верхней части каждого цилиндра - по два или по четыре на каждый цилиндр, которые открываются, чтобы топливо и воздух поступали в двигатель, а затем другие клапаны открываются, так что сгоревшая смесь может выпустится.

Схема работы клапанов в бензиновом двигателе

Клапаны управляются специальным валом - распределительным валом, который приводится во вращение непосредственно двигателем и имеет несколько яйцевидной формы лопастей вдоль его длины. По мере того как длинный (наиболее выступающий) конец лепестка крутится вокруг своей оси, он проходит через клапан, толкая его, и тем самым, открывая его (пружины на клапане позволяют ему закрываться обратно, когда лепесток на распредвале уйдёт от него). Лепестки - они правильно называются "кулачками" - на распредвале имеют точно такую ​​форму, чтобы контролировать сроки, продолжительность и глубину поднятия клапанов - это очень точно рассчитанное время, поэтому кулачки должны быть идеально ровными и очень точно выточенными, чтобы максимально точно срабатывать в пяти параметрах:

• когда они начинают открывать клапан,
• как надолго они открывают клапан,
• как сильно (насколько высоко) они открывают клапан,
• как долго они заставляют клапан быть открытым,
• как быстро они закрывают клапан.

Все эти пять параметров, в свою очередь, определяют, как топливо и воздух будут сгорать в камере сгорания и, соответственно, насколько эффективно всё это будет сгорать, в каком количестве поступать и насколько воздушно-топливная смесь будет готовой к моменту подачи искры от свечи. Форма кулачка, известная также как профиль кулачка, играет большую роль в том, как двигатель развивает мощность. А 5 вышеперечисленных параметров носят название "фаз газораспределения".

Так зачем же менять фазы открытия и закрытия клапанов? А затем, что двигателю требуются разные условия работы на низких и высоких оборотах. В идеале, газораспределение (продолжительность и время открытия/закрытия клапанов) должно меняться для того, чтобы оптимизировать цикл сгорания топлива в двигателе на меняющихся оборотах.

Да, распредвал оказался самым надёжным методом для открытия и закрытия клапанов в течение века, но его основным недостатком является то, что профиль распределительного вала статичен - он железный и на него наварены кулачки, и потому он не может изменить размеры и формы этих кулачков на лету. Инженеры должны придумать профиль, который нашёл бы компромисс, чтобы обеспечить плавные обороты на холостом ходу и убойное питание на высоких оборотах. Более подробно о том, почему двигателю требуется разное время, продолжительность и высота открытия/закрытия клапанов, мы расписали в статье о работе конкретной системы изменения фаз - VTEC.

Инженеры разработали различные системы изменения фаз газораспределения как способ оказать некоторый контроль над описанным процессом. На сегодняшний день существуют несколько систем в использовании разных производителей автомобилей. Наиболее распространённая из них - VTEC от компании Honda, которая использует распредвал с двумя наборами кулачков - одни короче, а другие - длиннее и немного другой формы. На определённой частоте вращения коленчатого вала двигателя специальный механизм заставляет распредвал немного перемещаться вдоль своей оси, чтобы передвигать оба набора кулачков к клапанам.

Другие системы изменения фаз газораспределения, такие как VCT компании Форд, используют фазировку вращения распределительного вала. Умный механизм заставляет поэтапно замедляться во вращении распредвал, чтобы клапаны оставались открытыми дольше в процессе работы двигателя. Третья система действует на сам толкатель (деталь, обеспечивающая механическую связь между кулачком и клапаном), будучи способной изменить время, на которое клапан открывается каждый раз, когда кулачок толкает его. А некоторые автомобили вовсе объединяют эти перечисленные системы.

Будущее: двигатели без распределительного вала

В то время как изменение фаз газораспределения предлагает огромные преимущества по сравнению с неменяющимся профилем кулачков распредвала, это всё ещё далеко не оптимальная система. В идеале, если бы двигатель вовсе не имел распредвал, а клапаны бы открывались и закрывались с помощью электронной системы, которая бы не полагалась на привод от двигателя. Вместо этого, клапаны будут находиться под контролем независимого механизма, который сможет изменять сроки, продолжительность и высоту подъёма клапанов по мере необходимости. Между тем, не такая то это и мечта - моторы без распредвалов! Системы управления открытием/закрытием клапанов уже разработаны и используются для больших низкооборотистых морских и промышленных двигателей. Тем не менее, до коммерческой жизнеспособной системы они ещё не дошли, так как требуют очень точной и компактной структуры, которая могла бы надёжно работать при очень высоких оборотах двигателя.

Но есть ещё одна система, которая в некоторой степени устраняет разрыв между изменяемыми фазами газораспределения и мотором без распределительного вала. Это система под названием "MultiAir" от Fiat. MultiAir использует традиционный распредвал, однако, вместо того, чтобы непосредственно толкать впускные клапаны, этот распределительный вал управляет тем, что, по существу, является гидравлическим насосом. Толкатель (устройство, которое толкает клапан) использует это гидравлическое давление, чтобы открыть и закрыть клапан в случае необходимости, изменяя сроки, высоту и продолжительность в гораздо более гибком и большем диапазоне, чем это делают большинство традиционных систем с переменной фаз газораспределения. Однако, профиль полной мощности (максимальные сроки и продолжительность открытия впускных клапанов) всё ещё ограничены профилем кулачка, так как профиль кулачка определяет количество гидравлического давления.

Вообще, система MultiAir используется обычно только для выпускных клапанов. Работу этой системы можно найти в 1,4-литровом турбодвигателе и 2,4-литровом двигателе автомобилей Fiat и Chrysler.