что такое фазорегулятор в двигателе
Назначение систем регулирования фаз
Назначение систем регулирования фаз.
Эффективность работы ДВС главным образом определяется организацией процесса газообмена, то есть качественным и своевременным наполнением и очисткой цилиндров. Эта задача возлагается на газораспределительный механизм и зависит от фаз газораспределения – моментов и продолжительности открытого состояния впускных и выпускных клапанов. Если клапаны открыты непродолжительное время, фазы называют «узкими». Чем дольше открыты клапаны – тем фазы «шире».
При низких оборотах коленвала объемы и скорость движения горючей смеси и отработанных газов невелики, поэтому фазы должны быть узкими, а перекрытие (время одновременного открытия впускных и выпускных клапанов – минимальным. В этом случае свежая смесь не вытесняется в выпускной коллектор через открытый выпускной клапан и, соответственно, отработанные газы не попадают во впускной. Если же «расширить» фазы на низких оборотах, отработанные газы смешаются с рабочей смесью, снизив тем самым ее качество и вызвав падение мощности и неустойчивую работу двигателя.
С ростом оборотов пропорционально увеличиваются объемы и скорость движения перекачиваемой смеси и отработанных газов в единицу времени, поэтому необходимы «широкие» фазы и большее время перекрытия для лучшей продувки цилиндров. Продувка – вытеснение выхлопных газов из цилиндра движущейся с большой скоростью топливовоздушной смесью.
Ширина фаз определяется формой кулачков распределительного вала. Чем больше высота кулачка – тем выше высота подъема клапана. Чем «тупее» его конец – тем больше время максимального подъема клапана. Таким образом, подбирая форму кулачков, конструкторы могут настроить двигатель на работу только в определенном диапазоне оборотов. При проектировании обычного дорожного автомобиля разрабатывается усредненный распредвал для компромиссного баланса между мощностью и экономичностью. При отклонении от этого диапазона, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, эффективность ДВС будет снижаться. Например, «узкофазный» мотор не позволит развить высокую мощность, а «широкофазный» будет неустойчиво работать на малых оборотах, что вынудит увеличивать частоту оборотов холостого хода. Следовательно, идеальным решением было бы изменять ширину фаз в зависимости от оборотов двигателя. Так появились системы регулирования фаз газораспределения.
Для технической реализации идеи регулирования фаз было создано множество конструкций. Для их описания потребуется не одна страница. Поэтому ознакомимся с устройством только нескольких — как простых, проверенных временем систем, так и самых современных.
Одним из способов регулирования фаз газораспределения является изменение положения распределительного вала относительно его первоначального положения в зависимости от режимов работы двигателя. Для примера рассмотрим систему Variable Valve Timing (VVT), применяемую на автомобилях Фольксваген. Она предназначается для оптимизации фаз при работе двигателя на режимах холостого хода, максимальной мощности и максимального крутящего момента.
В систему VVT входят следующие компоненты:
Две гидроуправляемые муфты (другое название — фазовращатели), установленные на впускном и выпускном распределительных валах. Обе муфты подключены через корпус механизма газораспределения к системе смазки двигателя. Муфты состоят из встроенного в звездочку вала наружного корпуса и неподвижно соединенного с валом ротора. Корпус и ротор могут смещаться относительно друг друга
Корпус механизма газораспределения, установленный на головке блока цилиндров двигателя. Внутри корпуса проходят каналы для подвода и отвода масла к обеим муфтам поворота распределительных валов.
Два электрогидравлических распределителя. Эти распределители установлены на корпусе механизма газораспределения. Они служат для регулирования подвода масла из системы смазки двигателя к обоим фазовращателям.
Сдвиг фаз VVT Состав системы VVT Управление системой VVT Фазовращатель Работа системы VVT
Управление системой VVT осуществляется блоком управления двигателя. Получая данные с датчиков о частоте вращения коленвала, нагрузке двигателя, температуре охлаждающей жидкости, а также о мгновенном положении коленчатого и распределительных валов, ЭБУ выдает сигнал на электрогидравлические распределители. Распределители открывают соответствующие каналы подвода масла, расположенные в корпусе механизма газораспределения. Масло из системы смазки двигателя поступает в гидроуправляемые муфты, которые поворачивают распределительные валы.
На режиме холостого хода впускной вал поворачивается таким образом, чтобы обеспечить более позднее открытие и соответственно более позднее закрытие впускных клапанов, а выпускной вал поворачивается так, что выпускной клапан закрывается задолго до прихода поршня в ВМТ. В результате количество отработанных газов в смеси снижается до минимума, что благоприятствует стабилизации сгорания в цилиндрах двигателя и повышению равномерности его работы на данном режиме.
Для достижения максимальной мощности при высокой частоте вращения вала двигателя производится задержка открытия выпускных клапанов. Благодаря этому увеличивается продолжительность давления газов на поршень на такте рабочего хода. Впускной клапан открывается после ВМТ и закрывается относительно поздно после НМТ. При этом динамические процессы во впускной системе используются для получения эффекта дозарядки цилиндров и соответствующего увеличения мощности двигателя.
Для получения максимального крутящего момента необходимо обеспечить возможно больший коэффициент наполнения цилиндров. Для этого необходимо раньше открывать и соответственно закрывать впускные клапаны, чтобы не допустить обратный выброс смеси из цилиндров во впускной трубопровод. При этом выпускные клапаны закрываются с небольшим опережением до ВМТ. Более подробно с работой системы VVT можно ознакомиться здесь (формат PDF).
Подобные системы устанавливают в своих двигателях Renault (VCP), BMW (VANOS/Double VANOS), Toyota (VVT-i), Honda (VTC). Некоторые из них используют фазовращатели только на впускном распредвалу, некоторые, как и VVT – на обоих. Недостатком подобных систем является то, что они способны только сдвигать фазы в ту или другую сторону, но не могут «сужать» или «расширять» их.
Переключение фаз
Устройство системы VTEC.
Такими возможностями обладает, например, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control (VTEC), созданная инженерами Honda. Она способна расширять фазы на высоких оборотах путем изменения высоты подъема клапана. Со времени своего создания система претерпела несколько модернизаций. Здесь рассмотрим ее третью версию – систему DOHC i-VTEC. Она представляет собой симбиоз системы VTEC с системой VTC (Variable Timing Control). Именно наличие VTC добавило в обозначение системы букву «i».
Основой VTEC любого поколения является использование трех кулачков на каждую пару клапанов. Коромысел, соответственно, тоже три. Два крайних коромысла расположены непосредственно над клапанами, третье – между ними. Два крайних кулачка низкопрофильные и предназначены для обеспечения оптимальной работы на низких и средних оборотах. Усилие от среднего высокопрофильного кулачка передается на клапана только на высоких оборотах.
Работа системы VTEC.
Как это происходит? Примерно до 5500 об/мин газораспределение обеспечивается крайними кулачками через свои коромысла. Среднее коромысло хоть и приводится в действие кулачком, но на клапана никакого воздействия не оказывает – система VTEC отключена. При дальнейшем увеличении частоты вращения включается система VTEC. Блок управления отдает команду и управляемый давлением масла штифт, сдвигаясь, замыкает между собой все три коромысла. Таким образом, они составляют единое среднее коромысло, на которое воздействует только средний кулачок. В результате высота подъема клапанов, а вместе с ней и ширина фаз возрастает, обеспечивая лучшее наполнение и очистку цилиндров. Система VTEC устанавливается и на впускной, и на выпускной распредвалы.
Для тех, кто не изучал английский
At low engine speeds — При низких оборотах двигателя
At higher engine speeds — При высоких оборотах двигателя
Low valve lift — Низкий подъем клапанов
High valve lift — Высокий подъем клапанов
Disengaged — Отключено
Synchronizing pin — Синхронизирующий штифт
А что же система VTC? Она, в отличие от VTEC, работает во всем диапазоне оборотов, регулируя момент открытия впускных клапанов в зависимости от нагрузки на двигатель. Конструктивно она аналогична описанной выше системе VVT, то есть представляет собой фазовращатель, установленный на впускном распредвалу. VTC позволяет дополнительно увеличить мощность, крутящий момент, снизить расход топлива и вредные выхлопы, изменяя фазы газораспределения путем доворачивания распредвала в нужную сторону.
Системы, подобные VTEC, выпускаются и другими производителями, например Toyota (VVTL-i), Mitsubishi (MIVEC). Их недостатком является ступенчатое переключение фаз между узкими и широкими. А в идеале хотелось бы достичь плавного регулирования, позволяющего более точно подстроиться под режим работы двигателя.
И такие системы были созданы! Первой появилась Valvetronic от BMW, в которой фазы регулируются плавным изменением высоты подъема впускных клапанов. Благодаря этой системе впервые удалось создать бензиновый ДВС без дроссельной заслонки. Вскоре аналогичные технологии освоили Nissan (VVEL) и Toyota (Valvematic). Последнюю революционную разработку представил Фиат под названием MultiAir. Мотор 1,4 Turbo, оснащенный этой системой, завоевал престижное звание «Двигатель года» в 2010 году.
Состав системы MultiAir Система MultiAir Возможности системы MultiAir
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.
При движении с полной нагрузкой электромагнитный клапан закрыт, и впускные клапаны имеют жесткую связь с распредвалом – фазы максимальные. В режиме же частичных нагрузок, наполнив цилиндр необходимым объемом воздуха, электромагнитный клапан отключается, закрывая тем самым впускной клапан. Управление поступлением воздуха посредством впускных клапанов позволило отказаться от применения дроссельной заслонки – главного источника насосных потерь. А уменьшение потерь автоматически приводит к экономии топлива, повышению мощности, крутящего момента и снижению вредных выбросов.
Преимущества Multiair перед другими аналогичными системами состоят в простоте, надежности и низкой стоимости производства. В перспективе ожидается применение Multiair и для выпускных клапанов, что еще больше расширит ее возможности. Например, при малых нагрузках вспышки в цилиндрах можно производить через цикл, что даст ощутимую экономию. А если в каком-то цилиндре произойдет пропуск вспышки, то неиспользованная смесь не уйдет на выхлоп, так как клапан не откроется, а сгорит в следующем цикле. На очереди у конструкторов – ГРМ без распредвала.
Фазорегулятор
И так фазорегулятор что это за «зверь» такой?
В современных автомобилях применяется много различных систем, позволяющие менять коэфициент наполнения цилиндров топливовоздушной смесью за счет перекрытия клаппанов. Благодаря регулируемым фазам газораспределения можно влиять на количество смеси поступающей в цилиндры и на долю остаточных отработавших газов. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала и открытия дросселя поведение поступающей в цилиндр смеси и выход из него отработавших газов сильно меняются. Таким образом регулируемые фазы позволяют вносить корректировки с учетом изменения частоты вращения коленчатого вала и степени наполнения цилиндров топливо-воздушной смесью.
В результате чего такой механизм дает следующие приемущетва:
Уменьшение выбрососв СО2
Увеличение крутящего момента во всех диапазонах работы мотора
Увеличение выходной мощности
Экономию топлива
Снижение шумов и вибраций при работе мотора.
Устройство фазорегулятора на примере Renault мотор F4P :
Рассмотрим принцип работы данного устройства:
Двигатель Renault F4P оборудован одним фазорегулятором, установленный в шкиве впускного вала. В фазорегулятор подается масло посредством электромагнитного клаппана установленного на крышке головки блока цилиндров. Расположение клаппана указано на рисунке.
На автомобилях с моделью двигателя F4P фазорегулятор действует при соблюдении нескольких условий:
Обороты работы двигателя выше 1500 об/мин
Давление во впускном трубопроводе выше 500 бар
Температура охлаждающей жидкости выше 30 градусов.
Так какие же симптомы выхода фазорегулятора из строя?
Основными признаками выхода из строя фазорегулятора являются:
Затруднённый пуск двигателя,
Посторонний шум при работе двигателя,
Повышенный расход топлива,
Снижение приемистости мотора.
При запуске двигателя на холодную слышен металлический треск. Это связано с тем, что клаппан не успевает накачать масло в фазорегулятор.
При запуске двигатель некоторое время работает, потом глохнет. Данный симптом связан с засорением сетки, которая находится в электромагнитном клаппане. В «САНРЕНО» механики смогут проверить наличие загрязнений в сетке клаппана и при необходимости дадут рекомендацию к чистке. Стоимость работ по очистке сеточки клаппана 420 рублей.
Так же при неисправности фазорегулятора появляется Ошибка двигателя. Что бы ее прочитать необходим специальный прибор, который есть у диагностов в нашем сервисном центре. Чтение ошибок двигателя 700 рублей.
Причины выхода из строя фазорегулятора:
Одной из основных причин выхода из строя фазорегулятора является масляное голодание, это возникает либо из-за недостаточного уровня масла ДВС или из-за засорения сеточки электромагнитного клаппана, который непосредственно регулирует количество масла и его давление. В нашем сервисном центре «САНРЕНО» мастера с удовольствием проверят уровень масла в двигателе и при необходимости предложат его долить. Стоимость 1 литра масла рекомендованного Renault 350 рублей.
Еще одна не маловажная причина, это использование масла с характеристиками отличных от требуемых в спецификации мотора. Иными словами необходимо использовать масло рекомендованное заводом изготовителем для данного типа автомобилей с учетом климатических особенностей.
В «САНРЕНО» Вам всегда предложат масло с учетом спецификаций мотора и иными требованиями.
Еще одной причиной выхода из строя фазорегулятора является несвоевременная замена масла в двигателе. Это приводит к увеличению отложений в масляных каналах и на сеточку электромагнитного клаппана, это в свою очередь приводит к масляному голоданию фазорегулятора и быстрому выходу его из строя. В «САНРЕНО» Вам предложат заменить масло на рекомендованное заводом изготовителем. Стоимость Замены масла ДВС в «САНРЕНО» 420 рублей. Стоимость масла ДВС 350 рублей за 1 литр.
Если во время эксплуатации автомобиля у Вас возникли данные симптомы или появилась ошибка двигателя, незамедлительно обратитесь в сервисный центр для последующей диагностики и устранения поломок. В Нашем сервисном центре работают обученные мастера, которые каждый день сталкиваются с такими проблемами и после диагностики и чтения ошибок на специальном оборудовании дадут рекомендации по замене либо по замене фазорегулятора или по чистке электромагнитного клапана.
Замена данной детали достаточно трудоемкий процесс подразумевающий снятие приводного ремня и ремня газораспределительного механизма (ГРМ). Замена Фазорегулятора в «САНРЕНО» будет стоить 3920 рублей. (В данную сумму входит снятие и установка ремня ГРМ и ремня привода дополнительных агрегатов, замена фазорегулятора). Стоимость нового фазорегулятора 10950 рублей.
В связи с этим необходимо проверять и если нужно менять ремень ГРМ стоимость работы входит в замену фазорегулятора. Стоимость нового оригинального комплекта ГРМ 6000 руб. Дополнительно при замене ГРМ используются новые заглушки распределительных валов. Стоимость комплекта заглушек 700 рублей.
В нашем сервисном центре мастер обязательно проверит состояние водяного насоса на наличие течи, шума подшипника и люфта. При необходимости даст рекомендацию к его замене стоимость работы при снятом ремне ГРМ 700 рублей. Стоимость нового насоса 2600 рублей.
Мастера в «САНРЕНО» проверят сальники распределительных валов и сальник коленчатого вала передний на наличие подтеков масла и при необходимости дадут рекомендации по их замене. Стоимость работ по замене сальников при снятом ремне ГРМ: сальник коленвала передний 350 рублей, сальники распределительных валов 350 рублей за каждый сальник.
Так же при замене фазорегулятора в нашем сервисном центре обязательно проверят электромагнитный клапан, который отвечает за подачу масла. Проверят его работоспособность, а так же на наличие отложений и при необходимости дадут рекомендации к замене данной детали. Стоимость работы 350 рублей. Стоимость нового клапана 6980 рублей.
В данном комплексе работ нашими мастерами будет проверено состояние ремня привода дополнительных агрегатов и его роликов, будет дана оценка состояния данных деталей и при необходимости их замена. Замена ремня дополнительных агрегатов будет бесплатной при замене ремня ГРМ. Стоимость нового ремня 850 рублей. Замена ролика дополнительного ремня будет стоить 280 рублей. Стоимость нового ролика 3500 рублей.
Сервисный центр САНРЕНО предоставляет гарантию на все выполненные работы 3 месяца.
Наши Менеджеры с удовольствием ответят на все интересующие Вас вопросы, а так же предложат Вам лучший вариант по запасным частям.
Зачем менять фазы газораспределения
Задача механизма газораспределения — обеспечить наивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения, зависит экономичность мотора, мощность и развиваемый момент.
Качество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.
В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.
В большинстве современных двигателей фазы меняться не могут. И работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопа) в цилиндре, а также во впускном и выпускном трактах меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.
Так, например, для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.
При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.
Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Вот так задачка!
Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими.
А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них — применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.
Но неуёмные инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами. Например, в тойотовской системе после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.
Изменять момент и продолжительность открытия — это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).
Чем вредна заслонка? Она ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно приводит? К большой инертности разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшению качества наполнения цилиндра свежим зарядом, снижению отдачи и уменьшению скорости отклика на нажатие педали газа.
Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения нужного наполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По разным данным, экономия от применения системы бездроссельного управления может составлять от 8% до 15%, прирост мощности и момента в пределах %. Но и это не последний рубеж.
Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.
В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы — прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?
Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это — уже совсем другой разговор.