Что такое фазы газораспределения?

Особенности работы двухтактных моторов

Основой того, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного, можно назвать тот факт, что в первом за один рабочий цикл коленвал совершает два оборота, а во втором весь рабочий цикл укладывается в один оборот коленвала (360°). Поршень при этом совершает лишь два хода. Процессы, происходящие в камере сгорания в течение рабочего цикла у двухтактного мотора, не отличаются от четырехтактных, но впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения.

Рабочий цикл двухтактного двигателя

Принцип работы простейшего двухтактного двигателя заключается в следующем:

1. Такт сжатия. В начале цикла поршень находится в НМТ и движется в положение ВМТ такта сжатия. При этом происходит перекрытие окна продувки (впуска), а затем канала выпуска. В момент, когда поршень закрывает окно выпуска, начинается сжатие горючей смеси, и в пространстве под поршнем возникает разрежение. Это обеспечивает нагнетание топлива в камеру через приоткрытый клапан впуска.
2. Такт расширения (рабочего хода). Когда поршень приближается к ВМТ, происходит срабатывание свечи зажигания, и горючая смесь воспламеняется. Это провоцирует резкое повышение давления и температуры, в результате чего поршень начинает движение вниз. Таким образом, газы совершают полезную работу, а поршень при движении к НМТ увеличивает компрессию топливовоздушной смеси. С ростом давления клапан начинает закрываться и препятствует попаданию горючей смеси во впускной коллектор. При достижении поршнем выпускного окна, происходит открытие последнего, и отработавшие газы удаляются в систему выхлопа. Давление в камере снижается, а дальнейшее движение поршня открывает канал продувки и топливовоздушная смесь подается в камеру, вытесняя отработавшие газы.

В зависимости от того, как реализована система продувки в устройстве двухтактного двигателя, их разделяют на разные типы:

• С контурной кривошипно-камерной продувкой. Горючая смесь подается в камеру цилиндра напрямую из картера двигателя. При этом она всасывается в момент движения поршня к ВМТ, а при движении поршня к НМТ обеспечивается продувка за счет избыточного давления.
• С клапанно-щелевой продувкой. Применяется для одноцилиндровых двигателей. Газораспределение реализуется путем перекрытия окон, выполненных в стенке цилиндра.
• С прямоточной продувкой. В такой конструкции впуск выполняется через специальные продувочные окна, выполненные по окружности цилиндра в его нижней части. В свою очередь, выпуск реализуется через выхлопной клапан.
• С использованием продувочных насосов. Применяется на многоцилиндровых двухтактных двигателях. При этом воздух для продувки сжимается специальным компрессором.

В отличие от четырехтактного, двухтактный двигатель не имеет системы газораспределения. Не требуют такие конструкции и организации сложной системы смазки. С другой стороны, четырехтактные моторы более экономичны по расходу топлива, а также меньше подвержены вибрации и обеспечивают более чистый выхлоп.

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.

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. 

Принцип работы

Принцип работы системы заключается в изменении положения распределительных валов относительно шкива коленчатого вала.

Система имеет два направления работы:

• Опережение открытия клапанов.
• Запаздывание открытия клапанов.

Опережение

Масляный насос при работе ДВС создает давление, которое подается на электромагнитный клапан CVVT. ЭБУ за счёт широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управляет положением клапана VVT. Когда необходимо отрегулировать исполнительный механизм на максимальный угол опережения, клапан перемещается и открывает масляный канал к камере опережения гидромуфты CVVT. Из камеры запаздывания жидкость в это же время начинает сливаться. Это позволяет переместить ротор с распределительным валом относительно корпуса в противоположное относительно вращения коленвала направление.

Запаздывание

Принцип аналогичен предыдущему, однако клапан-соленоид при максимальном запаздывании открывает масляный канал к камере запаздывания. В это время ротор CVVT перемещаются в сторону направления вращения коленвала.

Ресурс механизма

Многие автолюбители задаются вопросом: «Когда менять ремень ГРМ?» Понятное дело, что рассматриваемый нами элемент не вечен, а потому со временем подлежит замене. Особенно если уесть, что далеко не каждый ремень служит именно столько, сколько ему отмерял производитель. Дело в том, что на полках магазинов очень много бракованных деталей и подделок. Отличить их от оригинала весьма затруднительно, так как основная (несущая) часть находится внутри ремня. В таком случае ориентируемся на ценовую политику, пользуясь правилом «золотой середины». Также не следует покупать изделия без оригинальной упаковки и каких-либо обозначений.

Что касается конкретного ресурса, то все современные автопроизводители рекомендуют менять ремень каждые 80-100 тысяч километров пробега (или раз в 4-5 лет). Более точные значения вы можете узнать в руководстве по эксплуатации вашего авто, так как для каждой модели существует свой конкретный ресурс. Он может составлять и 70, и 200 тысяч километров.

Но опять же, точные сроки, в течение которых данная деталь будет исправно служить на благо вашего авто, предугадать очень сложно. Нельзя установить ремень и забыть о нем на ближайшие 80 тысяч километров пробега. Он может оборваться и на 10, и на 40 тысячах, а может прослужить и дольше указанного срока. Определить, когда менять ремень ГРМ, с точностью до километра просто невозможно. Поэтому раз в 3 месяца следует контролировать его внешнее состояние. Он не должен иметь микротрещин и отслоений. В противном случае вас ожидает обрыв ремня и, как следствие, капремонт мотора. И еще одно: данный элемент должен находиться всегда в натянутом состоянии. Проверить это можно следующим образом. Если ремень прокручивается пальцами руки более чем на 90 градусов, значит, его необходимо натянуть.

О грядущей замене также сигнализирует запах горелой резины в месте установки конструктивного элемента. Как только вы уловили характерный запах, лучше поменять его на новый.

ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

ФАЗОВРАЩА́ТЕЛЬ — уст­рой­ст­во для из­ме­не­ния фа­зы элек­трических (элек­тро­маг­нит­ных) ко­ле­ба­ний. При­ме­ня­ет­ся в ав­то­ма­ти­ке, пре­об­ра­зо­вательной, из­ме­рительной и СВЧ-тех­ни­ке для из­ме­не­ния фор­мы вход­но­го сиг­на­ла, ком­пен­са­ций фа­зо­вых ис­ка­жений сиг­на­лов, фа­зо­вой мо­ду­ля­ции, соз­да­ния за­дан­ных фа­зо­вых сдви­гов сиг­на­лов в ко­ге­рент­ных ра­дио­сис­те­мах (напр., в фа­зи­ро­ван­ных ан­тен­ных ре­шёт­ках) и др.

Большинство современных ДВС все более активно получают систему изменения фаз газораспределения.

Фиксированные фазы газораспределения заставляют конструкторов ДВС проектировать мотор так, чтобы присутствовала уверенная тяга в диапазоне низких и средних оборотов, но при этом оставался запас мощности для поддержания набранной скорости и дальнейшего ускорения автомобиля при выходе ДВС на режимы около зоны максимальных оборотов. 

Система изменения фаз газораспределения VVT (англ. Variable Valve Timing) создана для динамичной корректировки рабочих параметров механизма газораспределения.

Данное управление осуществляется с учетом различных режимов работы силового агрегата.

Эта система позволяет добиться повышения мощности мотора и моментной характеристики. Она обеспечивает экономию горючего, а также снижает токсичность выхлопных газов в процессе работы двигателя.

Кроме этого, она влияет на основные параметры работы газораспределительного механизма. К таким параметрам относят моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, длительность времени открытия клапана и высоту его подъема. От этого зависит продолжительность такта впуска и выпуска, что выражается тем углом, на который повернут коленчатый вал двигателя по отношению к мертвым точкам (ВМТ и НМТ) во время движения поршня в цилиндре. Форма кулачка распределительного вала определяет фазу газораспределения, так как указанный кулачок оказывает прямое воздействие на впускной или выпускной клапан ГРМ.

Регулятор фаз газораспределения

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

• распределительный вал соединяется с гидравлической муфтой;
• также с этой муфтой имеет соединение и распредшестерня;
• на холостых и малых оборотах распредшестерня с распредвалом зафиксированы в стандартном положении, как была установлены по меткам;
• при увеличении оборотов под воздействием гидравлики муфта поворачивает распредвал относительно звездочки (распредшестерни), и фазы ГРМ смещаются – кулачки распредвала 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 уже регулировалось положение выпускного и впускного р/валов.

Какое преимущество дает регулятор фаз ГРМ? На холостом ходу перекрытие фаз газораспределения практически не требуется, и оно в данном случае даже вредит двигателю, так как при сдвиге распредвалов выхлопные газы могут попасть во впускной коллектор, а часть топлива будет попадать в выхлопную систему, полностью не сгорая. Но когда движок 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 мотора, увеличить его мощность. В тоже время на холостом ходу р/валы с муфтой находятся в исходном состоянии, и сгорание смеси идет в полном объеме. Получается, что регулятор фаз повышает динамику и мощность ДВС, при этом достаточно экономично расходуется топливо.

Датчик фаз газораспределения

На многих автомобилях в 70-х и 80-х годах прошлого столетия в основном устанавливались карбюраторные двигатели с «траблерной» системой зажигания, но многие передовые компании по производству автомашин уже тогда начали оснащать моторы электронной системой управления двигателем, в которой всеми основными процессами управлял единый блок (ЭБУ). Сейчас практически все современные авто имеют ЭСУД – электронная система применяется не только в бензиновых, но и в дизельных ДВС.

В современной электронике присутствуют различные датчики, контролирующие работу двигателя, посылающие сигналы блоку о состоянии силового агрегата. На основании всех данных от датчиков ЭБУ принимает решение – сколько необходимо подавать топлива в цилиндры на тех или иных нагрузках (оборотах), какой установить угол опережения зажигания.

Датчик фаз газораспределения имеет еще одно название – датчик положения распредвала (ДПРВ), он определяет положение ГРМ относительно коленвала. От его показаний зависит, в какой пропорции будет подаваться топливо в цилиндры в зависимости от количества оборотов и угла опережения зажигания. Если ДПРВ не работает, значит, фазами ГРМ не контролируются, и ЭБУ не «знает», в какой последовательности необходимо подавать топливо в цилиндры. В результате возрастает расход топлива, так как бензин (солярка) одновременно подается во все цилиндры, двигатель работает вразнобой, на некоторых моделях авто ДВС вовсе не запускается.

Как двигают фазы

У разных производителей существуют различные конструкции таких систем. Одни изменяют время подъема клапанов, другие – высоту подъема, а третьи – и то, и другое. Системы изменения фаз могут устанавливаться только для впускных клапанов или и для впускных, и для выпускных. В настоящее время используется три способа изменения фаз газораспределения.

• Первый способ – поворот распредвала по ходу вращения с ростом оборотов двигателя. Таким образом, обеспечивается более раннее открытие клапанов. Основная деталь таких систем – фазовращатель (другое название – гидроуправляемая муфта). Он представляет собой ротор, смонтированный в шкиве распредвала, между которыми есть полости. Эти полости по сигналу контроллера двигателя через электромагнитный клапан заполняются маслом, что приводит к повороту распредвала. Угол поворота зависит от того, какая именно полость заполнена. Фазовращатель в большинстве случаев устанавливается только на впускной распредвал, на некоторых системах – и на выпускной. Описанный способ используется в системах VANOS и Double VANOS от BMW, VVT-i и Dual VVT-i(Variable Valve Timing with intelligence) от Toyota, VVT(Variable Valve Timing) от Volkswagen, VTC(Variable Timing Control) от Honda, CVVT(Continuous Variable Valve Timing) от Hyundai, Kia, Volvo, General Motors, VCP(Variable Cam Phases) от Renault.
• Второй способ – применение кулачков разного профиля на разных режимах работы. На малых оборотах используются кулачки, обеспечивающие «узкие» фазы, то есть малые высоту подъема и время открытия клапанов. С ростом оборотов по команде блока управления происходит переключение на «широкофазные» кулачки. Таким образом, фазы меняются ступенчато, а не плавно, как в предыдущей системе. Зато, кроме фаз, регулируется и высота подъема клапана. Разнопрофильные кулачки используют в своих системах: VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) от Honda, VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift with intelligence) от Toyota, MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control) от Mitsubishi.
• Третья, самая совершенная группа систем, плавно регулирует высоту подъема клапанов. Главное достоинство таких систем в том, что они позволяют отказаться от дроссельной заслонки на впуске. Тем самым существенно снижаются насосные потери и расход топлива. Впервые такая система под названием Valvetroniс была применена BMW. В ней между распредвалом и клапаном расположен дополнительный рычаг, один конец которого давит на коромысло клапана, а второй соединен с эксцентриковым валом. Проворачивая этот вал с помощью электромотора, система управления тем самым меняет наклон рычага и его плечо. Увеличение плеча приводит к увеличению подъема клапана и количества воздуха, попадающего в цилиндры. Высота подъема регулируется в пределах от 0,5 до 12 мм.

Вслед за BMW аналогичные системы создали Valvematic от Toyota, VEL (Variable Valve Event and Lift System) от Nissan, MultiAir от Fiat, VTI (Variable Valve and Timing Injection) от Peugeot.

В системе MultiAir используется один распредвал, который приводит и впускные, и выпускные клапана. Но если выпускные клапана механически управляются кулачками, то на впускные воздействие от кулачков передается через специальную электрогидравлическую систему. Именно в ней и состоит новизна. Впускные кулачки нажимают на поршни, а те через электромагнитный клапан передают усилие на рабочие гидроцилиндры, которые уже воздействуют на впускные клапана. Главный узел – именно клапан, регулирующий давление в системе. Он имеет только два положения: открыт-закрыт. Если он открыт, давление в системе отсутствует, и усилие на клапан не передается. Поэтому, управляя моментом и длительностью открытия электромагнитного клапана за то время, пока кулачок воздействует на поршенек, можно добиться любого алгоритма открытия впускных клапанов. А значит, ширину фаз можно плавно регулировать от 0 до 100%. Максимальная ширина фазы определяется профилем впускного кулачка распредвала.

А какое отношение все вышеописанное имеет к экологии? Системы изменения фаз газораспределения, оптимизируя процесс сгорания топлива, тем самым снижают его расход, а, значит и количество вредных выбросов.

Диаграмма — фаза — газораспределение

Диаграмма фаз газораспределения — графическое изображение моментов открытия и закрытия ( относительно мертвых точек) и продолжительности открытия органов газораспределения ( клапанов или окон), а также моментов подачи искры или топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания.
 

Из диаграммы фаз газораспределения видно, что есть период, когда оба клапана открыты одновременно. Та — кое положение называют перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов улучшает очистку и наполнение цилиндров.
 

Из диаграммы фаз газораспределения видно, что есть период, когда оба клапана открыты одновременно, — так называемое перекрытие клапанов.
 

На рис. 22 показаны диаграммы фаз газораспределения, из которых видно, что есть период, когда оба клапана открыты одновременно. Такое положение называют перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов улучшает очистку и наполнение цилиндров. В табл. 2 приведены данные по системе газораспределения двигателей.
 

На рис. 18 приведена диаграмма фаз газораспределения четырехтактных двигателей.
 

На рис. 5 приведена диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя, а в табл. 1 даны величины фаз для некоторых двигателей.
 

На рис. 21 показана диаграмма фаз газораспределения двухтактных двигателей ЯАЗ-204, и ЯАЗ-206, а в табл. 6 даны фазы газораспределения изучаемых четырехтактных двигателей.
 

Фазы газораспределения изображаются круговой диаграммой, называемой диаграммой фаз газораспределения. На рис. 21 приведена диаграмма фаз газораспределения двигателя автомобиля ГАЗ-53А, из которой видно, что при положении поршня, близком к ВМТ, оба клапана приоткрыты. Это явление называется перекрытием клапанов. Оно длится в течение очень небольшого промежутка времени. Поэтому за это время не происходит ни перемешивания потоков отработавших газов и свежего заряда, ни утечки горючей смеси с отработавшими газами.
 

При отличии зазора от указанной величины искажается диаграмма фаз газораспределения; чрезмерный зазор вызывает шум, запаздывание открывания и опережение закрывания клапанов, а недостаточный зазор — опережение открывания и запаздывание закрывания клапанов.
 

Все звенья механизма газораспределения должны быть установлены так, чтобы открытие и закрытие клапанов ( всасывающих, выхлопных, выпускных) производилось в моменты, соответствующие определенным положениям поршня или колена вала, как указано заводом-изготовителем в диаграмме фаз газораспределения двигателя.
 

Все звенья механизма газораспределения должны быть установлены так, чтобы открытие и закрытие клапанов ( всасывающих, выхлопных, выпускных) производилось в моменты, соответствующие определенным положениям поршня или колена вала, как указано заводом-изготовителем в диаграмме фаз газораспределения двигателя.