Теоретический рабочий цикл четырехтактного двигателя включает в себя такт впуска, такт сжатия, рабочий ход и такта выпуска. Для простоты теоретический цикл для всех автомобильных двигателей считается одинаковым. Но чтобы каждый цилиндр был заполнен газом и опорожнен максимально эффективно в каждый конкретный момент времени (даже при разных скоростях и с разными нагрузками), угол открытия и закрытия клапанов должен изменяться относительно теоретического цикла. Именно для этого используются системы VVT или системы регулирования фаз газораспределения и электромагнитные клапаны системы VVT. Читайте дальше, чтобы узнать о функциях и геометрии этих важных деталей.
Задержка и инерция
Как описано во введении, время открытия и закрытия клапана должно немного отличаться от теоретического цикла, чтобы оптимизировать процесс впуска газов в цилиндр и их выпуска из него. На величину корректировки влияют задержка и инерция.
- Задержка: Клапаны не открываются мгновенно. Для полного открывания может потребоваться от 20 до 30° поворота коленчатого вала. При отсутствии корректирующих мер это может привести к задержкам впускного и выпускного циклов:
- если при впуске поршень начинает опускаться, а впускной клапан еще не открыт из-за вышеуказанной задержки, в цилиндре создается вакуум. Это затрудняет начало хода поршня вниз и, следовательно, снижает производительность двигателя.
- в свою очередь, если поршень начинает движение вверх при выпуске, а клапан не открыт из-за задержки, давление в цилиндре создает сопротивление подъему поршня, и это также снижает производительность двигателя.
- Инерция: Кроме того, когда клапан открывается, газы немного запаздывают перед началом движения. Это также приводит к небольшой задержке в начале процесса (наполнение или опорожнение цилиндра).
Стандартное открытие клапана без системы VVT
На графике ниже приведен пример для автомобиля с фиксированной геометрией без системы регулирования фаз газораспределения (система VVT), где ВМТ обозначает верхнюю мертвую точку и НМТ обозначает нижнюю мертвую точку:
Стандартная схема открытия клапана без системы VVT
- Открытие впускного клапана (синий цвет) Чтобы избежать задержки при впуске газов, впускной клапан открывается немного раньше ВМТ.
- Закрытие впускного клапана (синий цвет)
Впускной клапан закрывается позже прохождения поршнем НМТ. При этом благодаря инерции газов оптимизируется процесс заполнения цилиндров.
- Открытие выпускного клапана (оранжевый цвет) В конце хода поршня вниз, хотя давление внутри цилиндра снизилось по мере того, как газы вытолкнули поршень вниз, чтобы не было сопротивления при ходе поршня вверх, выпускной клапан открывается до достижения НМТ.
- Закрытие выпускного клапана (оранжевый цвет) Для полного удаления отработанных газов и чистоты оставшегося в цилиндре воздуха закрытие выпускного клапана происходит немного позже.
Как показано на схеме, присутствует перекрытие (зеленый цвет): короткое время, в течение которого впускной и выпускной клапаны открыты одновременно.
Система VVT или система регулирования фаз газораспределения
Принцип работы системы VVT
Поскольку скорость вращения автомобильного двигателя непостоянна, идеально если диаграмму фаз газораспределения можно изменять в соответствии с изменением скорости вращения. Другими словами: при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя для оптимального опорожнения и наполнения цилиндров углы закрытия и открытия клапанов должны регулироваться.
Система VVT изменяет углы с помощью механизма регулирования фаз газораспределения (фазовращателя), расположенного на головке распредвала. Эта система приводится в действие подачей масла, регулируемой блоком управления двигателем с помощью электромагнитных клапанов.
Основные преимущества этой системы:
- снижение расхода топлива;
- увеличение крутящего момента и мощности;
- уменьшение количества выбросов.
В основном для бензиновых двигателей
Система VVT внедрялась азиатскими и европейскими автопроизводителями в конце 80-х и начале 90-х годов. В середине 2000-х годов эта система стала более популярной и начала использоваться всеми основными автопроизводителями. В настоящее время она обычно устанавливается в бензиновых двигателях (хотя и не во всех случаях), но может устанавливаться в некоторых дизельных двигателях. Автопроизводители могут использовать разные формальные названия системы, кроме того, могут существовать незначительные различия, но принцип работы остается неизменным:
- Honda: VTEC
- Toyota: VVT-i
- BMW: VANOS
- Ford: Ti-VCT
- Kia-Hyundai: CVVT
- Porsche: VARIO CAM
- VAG: TGV
- …
Электромагнитный клапан (соленоид) и другие компоненты системы VVT
Основные компоненты системы регулирования фаз газораспределения:
Основные компоненты системы VVT
- ЭБУ
- Датчики оборотов
- Фазорегулятор
- Распредвалы
- Электромагнитные клапаны
- Маслопровод
Подробнее о фазорегуляторе
Фазорегулятор изменяет угол открытия клапанов. Он состоит из следующих частей:
Компоненты фазорегулятора
- Внутренний ротор: эта деталь соединена с распредвалом.
- Наружный корпус: эта деталь соединена с зубчатым шкивом ГРМ двигателя.
- Камеры: масло подается с одной или с другой стороны лопастей внутреннего ротора. Это приводит к повороту внутреннего ротора относительно внешнего корпуса, в результате чего угол открытия клапанов смещается вперед или назад.
В современных автомобилях для регулируемой подачи масла в камеры с разных сторон лопастей используются электромагнитные клапаны. Как показано далее в статье, электромагнитный клапан открывает подачу масла через маслопроводы в камеры в соответствии с сигналом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который он получает от блока управления.
Подробнее об электромагнитном клапане
Электромагнитный клапан состоит из следующих частей:
Компоненты электромагнитного клапана
- Линия подачи масла
- Возврат масла
- Маслопроводы к распредвалу
- Поршень
- Катушка электромагнита
- Электрический разъем
Положения электромагнитного клапана
Обычно система VVT устанавливается на распредвал впускных клапанов, но в некоторых автомобилях также используется система для распредвала выпускных клапанов. Например, высокопроизводительные двигатели оборудуются более сложными системами для регулирования хода клапанов. Поэтому электромагнитные клапаны могут использоваться в нескольких точках.
1. Электромагнитный клапан в положении запаздывания
Электромагнитный клапан может быть в положении запаздывания:
Электромагнитный клапан находится в положении запаздывания
Когда двигатель работает на холостом ходу, электромагнитный клапан перемещает внутренний поршень. Открывается подача масла с одной стороны камер, а с другой стороны масло возвращается в поддон. В результате клапаны открываются с небольшим запаздыванием относительно теоретического цикла.
Более позднее открывание впускного клапана предотвращает попадание отработанных газов во впускной коллектор на холостом ходу. Кроме того, экономится топливо: двигатель работает без перебоев при более низких оборотах холостого хода.
2. Электромагнитный клапан в положении опережения
Электромагнитный клапан может быть в положении опережения:
[изображение 6] Электромагнитный клапан в положении опережения
При высокой частоте вращения двигателя электромагнитный клапан перемещается в противоположное положение. Направление подачи масла изменяется на противоположное, и распредвал вращается с максимальным опережением.
Когда двигатель работает на высоких оборотах, для заполнения цилиндра необходимо гораздо меньше времени. Таким образом, клапан открывается раньше, и газ начинает поступать в цилиндр до того, как поршень достигнет ВМТ. При открытии с опережением закрытие также происходит с опережением. Но при высокой частоте вращения двигателя благодаря инерции газов, циркулирующих с высокой скоростью, цилиндр заполняется в достаточном объеме, и обеспечивается оптимальная производительность.
3. Электромагнитный клапан в положении удержания
Кроме того, электромагнитный клапан может быть в положении удержания:
Электромагнитный клапан в положении удержания
На распредвалах установлены датчики Холла. Эти датчики передают блоку управления точное положение распредвалов относительно коленвала. Таким образом блок управления может определять необходимое положение электромагнитного клапана в любой момент времени. Оно рассчитывается путем сравнения входных сигналов (частоты вращения коленвала двигателя, положения дроссельной заслонки и т. д.) с картами в памяти блока управления. Когда достигается необходимое опережение, электромагнитный клапан устанавливается в положение удержания. При этом клапан блокирует подачу масла в обе стороны и удерживает распредвал под определенным углом относительно его зубчатого шкива.
Когда двигатель работает на средних оборотах и в других особых ситуациях, для оптимальной работы двигателя блок управления может устанавливать «среднее опережение распредвала». При среднем положении уменьшается содержание оксидов азота. Эффект сравним с эффектом от использования системы рециркуляции отработавших газов, которая обычно устанавливается в дизельных двигателях. Система РОГ возвращает некоторое количество отработавших газов обратно во впускной коллектор. При их повторном попадании в камеру сгорания температура снижается и образуется меньше выбросов оксидов азота.
Отказы системы VVT
Проблемы с давлением масла
Наиболее распространенный отказ гидравлической системы — это низкое или нулевое давление масла. Такой отказ часто происходит из-за ненадлежащего обслуживания масляной системы и циркуляции мусора и осадка. Когда загрязнения оседают в предварительном фильтре маслопровода электромагнитного клапана, они ограничивают подачу масла. Это приводит к замедлению работы системы или ее сбою. Кроме того, частицы могут пройти через фильтр и заклинить электромагнитный клапан в одном из положений.
Если масло имеет неправильную вязкость или работа системы смазки нарушена в другой точке, проблема с низким давлением может усугубиться.
Проблемы с давлением масла
Отказы электрооборудования
Кроме того, возможен электрический отказ электромагнитного клапана. Клапан может перестать работать по причине выхода из строя катушки. Однако, чтобы избежать замены исправной детали, всегда рекомендуется проверять провода, идущие к клапану.
Блок управления двигателем использует датчики положения распредвала и коленвала для оценки работы системы. В случае аномальных показателей он генерирует код неисправности и включает диагностическую лампу двигателя.
[изображение 9] Диагностическая лампа двигателя