Как регулируемое газораспределение помогает двигателю «дышать»?

Изменяемые фазы газораспределения (VVT) - это непрерывная перенастройка моментов открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов в зависимости от оборотов и нагрузки двигателя. Поскольку одна фиксированная настройка фаз не может быть эффективной во всём диапазоне оборотов, VVT одновременно улучшает производительность, экономию топлива и выбросы, сохраняя мощность на высоких оборотах и момент на низких.

Почему одной фиксированной настройки недостаточно?

В поршневом двигателе клапаны открываются распределительным валом. Распредвал приводится от коленчатого вала ремнём, цепью или шестерней, и каждый кулачок на его профиле определяет, когда именно, как долго и на сколько откроется клапан. Проблема в том, что этот профиль - неподвижная металлическая деталь, а потребности двигателя не постоянны.

На высоких оборотах двигатель требует очень большое количество воздуха. Если впускной клапан закроется до того, как цилиндр достаточно наполнится, производительность теряется. И наоборот, профиль с длительным временем открытия, как у гоночного распредвала, на низких оборотах становится головной болью: если впускной клапан открывается, пока выпускной ещё открыт (это называется перекрытием, то есть overlap), высокое давление в выпуске может вытолкнуть свежий заряд смеси обратно и загрязнить впускной коллектор отработавшими газами. По словам инженера Дэвида Визарда, это означает, что в окне, когда оба клапана открыты, топливо уходит вместе с выхлопом.

Чтобы понять масштаб, достаточно одной цифры: при 3000 об/мин распредвал делает 25 оборотов в секунду. Чтобы события клапанов были полезными, они должны происходить в нужный момент в столь быстром цикле. Именно в этом и заключается работа VVT: блок управления двигателем, независимо смещая фазы распредвала относительно коленчатого вала, в любых условиях заново настраивает длительность перекрытия.

Как изменяемые фазы газораспределения влияют на мощность, момент и расход топлива?

Направление смещения фаз определяет то, что вы хотите получить. Когда распредвал смещается вперёд, клапаны открываются и закрываются раньше; это увеличивает момент на низких оборотах и экономию топлива - ценой мощности на высоких оборотах. Смещение назад удлиняет кривую мощности на высоких оборотах. Современная система непрерывно балансирует эти два extremes в зависимости от оборотов.

Результат измерим: с VVT на краях кривых момента и мощности обычно наблюдается улучшение отдачи на 5-10%, а на многих двигателях момент на низких оборотах может вырасти на 5-15%. Это значит, что двигатель не просто имеет лучшую теоретическую кривую, а в повседневной эксплуатации позволяет раньше переключаться на повышенную передачу и требует меньше движений дросселем.

Выигрыш со стороны расхода топлива

Настоящая тихая победа происходит при частичной нагрузке - то есть в том режиме, где автомобиль проводит большую часть времени. Позднее закрытие впускного клапана (поздний IVC) снижает насосные потери до 40% и уменьшает выбросы NOx на 24%, жертвуя лишь 1% пикового крутящего момента. Раннее закрытие впускного клапана также снижает насосные потери на 40% и улучшает топливную экономичность на 7%; однако оно заметно снижает температуру в камере сгорания и может увеличивать выбросы углеводородов. Эта стратегия раннего закрытия является стандартным инструментом двигателей с циклом Миллера и наддувом. Для двигателя с впрыском во впускной коллектор теоретически оптимальная стратегия фаз предсказывает улучшение топливной экономичности более чем на 8%; в исследованиях, сосредоточенных на условиях частичной нагрузки, сообщалось об улучшении до 5%.

Ступени технологии: от изменения фаз к переменному подъему

"VVT" - это не одна технология, а лестница, ведущая к разным уровням контроля. Самая нижняя ступень - изменение фаз распределения: распредвал поворачивается вперед или назад относительно коленвала; клапаны открываются раньше или позже, но подъем и продолжительность открытия не меняются. Ранние системы были ступенчатыми - например, разные фазы для оборотов ниже и выше 3500. Первой системой непрерывного (бесступенчатого) регулирования стала VarioCam на Porsche 968 в 1992 году; она работала только на впускных клапанах.

Вторая ступень - переключение между двумя профилями кулачков. Актюатор, обычно на определенных оборотах, перескакивает с профиля с малым подъемом на профиль с большим подъемом. Подъем и продолжительность меняются, но регулирование является дискретным. Первым серийным применением был Honda VTEC : гидравлическим давлением перемещается штифт, и коромысло с большим подъемом блокируется с соседним коромыслом с малым подъемом.

Третья ступень - системы качающегося кулачка: BMW Valvetronic, Nissan VVEL и Toyota Valvematic непрерывно регулируют подъем и продолжительность; однако подъем пропорционален продолжительности, оба параметра не могут задаваться независимо, и эти системы действуют только на впускной стороне. Пробовали и более экзотические решения: системы эксцентриковых дисков, изменяющих подъем независимо от продолжительности (VVC у MG Rover), и концепцию скользящего конусного кулачка с профилями, меняющимися вдоль оси распредвала - хотя последний ассоциируется с Ferrari, известно, что в серийном производстве он не применялся.

Теоретический пик - системы без кулачков: управление клапанами напрямую электромагнитным или пневматическим актюатором дает полную свободу в фазах и подъеме. Koenigsegg объявила, что представит это Freevalve в Gemera; однако вариант без кулачков с тремя цилиндрами был отменен перед производством из-за низкого спроса, и автомобиль вышел на дорогу с V8. Экономически эффективное производство по-прежнему остается стеной на пути этой идеи.

Фазы или подъем?

Здесь кроется путаница понятий: VVT обычно нацелена на контроль выбросов и фаз, тогда как переменный подъем клапанов (VVL) - на улучшение характеристик в зависимости от оборотов и нагрузки. Mercedes Camtronic эта пара хорошо описывает принцип работы: изменяемые фазы распредвала улучшают крутящий момент на низких и средних оборотах, а изменяемый подъём плюс продолжительность - мощность на высоких оборотах; расплата - несколько более сложная конструкция. Существуют также системы VVL, использующие два разных профиля кулачка со стороны выпуска.

VTEC, VVT-i, VANOS: разные названия, один принцип

У каждого производителя своя аббревиатура, но в основе всех лежит одна и та же физика. Разница лишь в том, где и как осуществляется управление. VTEC переключает профиль кулачка примерно на 6000 оборотах - резкий, чёткий переход. VVT-i непрерывно опережает фазы впуска без каких-либо скачков. VANOS воздействует и на впуск, и на выпуск и непрерывно работает во всём диапазоне оборотов; одинарный VANOS эффективен в диапазоне примерно 1200-4000 оборотов, тогда как VTEC обычно включается выше 4500-5000 оборотов. Современный же i-VTEC фактически представляет собой сочетание механизма подъёма клапанов VTEC с регуляторами фаз, похожими на VVT-i (VTC).

Разные роли в атмосферных и турбомоторах

В атмосферном двигателе воздух поступает в цилиндр за счёт собственного разрежения; эффективность полностью зависит от точности работы клапанного механизма. Поэтому современные атмосферные двигатели почти без исключений оснащаются непосредственным впрыском и VVT. Для достижения мощности им нужен больший объём, но взамен они предлагают более простой и предсказуемый характер, а также более предсказуемый расход топлива.

В турбомоторе роль VVT несколько меняется: турбина способна обеспечить крутящий момент на низких оборотах, подобный большому атмосферному двигателю; хотя присутствует ощущаемая задержка, автомобиль может казаться более быстрым. VVT - одно из усовершенствований, смягчающих этот переход именно за счёт поддержания крутящего момента в зоне низких оборотов, предшествующей включению турбины. Расплата - больше тепла, больше нагрузок, больше подвижных деталей и электроника. В двигателях с принудительным впуском раннее закрытие впускного клапана (цикл Миллера) также является стандартным способом контроля сжатого заряда.

Как водитель ощущает эту технологию в повседневной эксплуатации?

Наиболее ощутимый эффект - увеличение крутящего момента на низких оборотах: при отпускании сцепления двигатель меньше глохнет под нагрузкой, на подъёме снижается необходимость переключения на пониженную передачу, и даже максимальные обороты двигателя можно поднять. Разница в характере также ощущается: двигатель с VVT-i движется линейно и тихо, тогда как классический VTEC остаётся спокойным на низких оборотах и заметно агрессивнее при переключении профиля. Выбор между этими двумя философией - классический спор на форумах; одни водители считают резкое включение VTEC в городе утомительным, а переключение кулачкового профиля по-прежнему остаётся одним из самых узнаваемых моментов автомобильной культуры. Сторонники линейного изменения фаз же отстаивают постоянный и плавный характер.

Историческая перспектива хорошо объясняет эту зрелость. Известно, что первый патент на VVT был подан Алансоном Партридж Брашем в 1903 году, выдан в 1904-м и применён на Cadillac Runabout and Tonneau; потребность в изменяемой фазе породила первые патенты в 1920-х годах, когда повышались пределы максимальных оборотов. Патенты Джованни Торадзы конца 1960-х на Fiat, изменявшие точку опоры толкателя кулачка с помощью гидравлического давления, стали первой функциональной автомобильной конструкцией VVT с изменяемым подъёмом и обычно обеспечивали изменение момента открытия на 37%. В 1980 году Alfa Romeo Spider 2000 с инжекторными версиями стал первым производителем, применившим VVT в серийном автомобиле; в 1989 году Honda VTEC (первый двигатель B16A) повысила пиковую мощность за счёт отдельного кулачкового профиля. Затем технология распространилась на мотоциклы (2007, Kawasaki 1400GTR), а в 2010 году с Mitsubishi 4N13 1.8 - на первый в мире легковой дизель с VVT; более того, в 2007 году Caterpillar после требований EPA снизил выбросы NOx на грузовиковых двигателях с помощью VVT вместо EGR.

Вопрос обслуживания: система живёт маслом

Системы VVT управляются давлением масла; фазовращатели и соленоиды VVT находятся в центре как работы, так и диагностики. Низкий уровень масла может вызвать проблемы в цепи ГРМ, соленоиде или зубчатой передаче; поэтому регулярная проверка уровня масла и соблюдение плана обслуживания производителя - самый практичный шаг в предотвращении неисправностей VVT. Когда система перестаёт работать, первые признаки обычно - ухудшение производительности и экономии топлива.

Заключение: как одним клапанным механизмом нарисовать характер двигателя

VTEC, VANOS, VVT-i - что бы это ни было, лежащая в основе идея одна и та же: настройка моментов открытия и закрытия клапанов в соответствии с работой двигателя. Фиксированный кулачковый профиль идеален на одних оборотах, но требует компромисса на других; VVT устраняет этот компромисс. Каждый шаг - от изменения фаз кулачков до переменного подъёма клапанов - это ещё более тонкая настройка баланса между моментом на низких оборотах и мощностью на высоких. Хотя бесклапанные системы пока не преодолели стоимостной барьер, большая часть двигателей на дорогах сегодня работает благодаря зрелым продуктам этого векового принципа - и водитель ощущает это, сам того не осознавая, при каждом плавном ускорении.

Источники

• Изменяемые фазы газораспределения
• Изменяемые фазы газораспределения - Car and Driver
• Преимущества изменяемых фаз газораспределения - Hot Rod
• V-TEC против Vanos против VVT-i: как всё это работает? - Car Throttle
• VTEC против VVT-i - Diffen
• Mercedes Camtronic - Autozine Technical School
• Различия между VVL и VVT - Motor Authority
• Анализ топливной экономичности изменяемых фаз кулачкового вала при частичной нагрузке - ScienceDirect
• Что такое изменяемые фазы газораспределения - RepairPal
• Размышления об изменяемых фазах газораспределения - Snap-on
• Обслуживание систем изменяемых фаз газораспределения - Strut Daddy's