Введение

Процесс изменения момента открытия клапана

Переменные фазы газораспределения (VVT) – это процесс изменения момента открытия клапана во двигателе внутреннего сгорания, который часто используется для повышения производительности, экономичности или снижения выбросов. Он все чаще применяется в сочетании с системами изменения высоты подъема клапана. Существует множество способов реализации этой технологии, от механических устройств до электрогидравлических и безкулачковых систем. Ужесточающиеся нормы по выбросам заставляют многих автопроизводителей использовать системы VVT. Двухтактные двигатели используют систему выпускных клапанов для достижения аналогичных результатов, как у VVT.

Теория о происхождении

Клапаны внутри двигателя внутреннего сгорания используются для управления потоком впускных и выпускных газов в камеру сгорания и из нее. Время, продолжительность и подъем этих клапанов оказывают значительное влияние на работу двигателя. Без системы изменения фаз газораспределения или изменения подъема клапанов, фазы газораспределения остаются неизменными для всех оборотов и условий работы двигателя, что требует компромиссов. Двигатель, оснащенный системой изменения фаз газораспределения, освобождается от этого ограничения, позволяя улучшить характеристики во всем диапазоне рабочих оборотов. В поршневых двигателях обычно используются клапаны, приводимые в движение распределительными валами. Кулачки открывают (поднимают) клапаны на определенное время (продолжительность) в течение каждого цикла впуска и выпуска. Важно время открытия и закрытия клапана относительно положения коленчатого вала. Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом через ремни, шестерни или цепи. Двигателю требуется большое количество воздуха при работе на высоких оборотах. Однако впускные клапаны могут закрываться до того, как в каждую камеру сгорания поступит достаточно воздуха, что снижает мощность. С другой стороны, если распределительный вал удерживает клапаны открытыми в течение более длительного времени, как в случае со спортивным распредвалом, возникают проблемы на низких оборотах двигателя. Открытие впускного клапана при еще открытом выпускном клапане может привести к выходу несгоревшего топлива из двигателя, что снижает мощность и увеличивает выбросы. Согласно книге инженера Дэвида Визарда "Building Horsepower", когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно, высокое давление выхлопных газов выталкивает поступающий воздух обратно из цилиндра, загрязняя впускной коллектор выхлопными газами, вплоть до критических случаев.

Непрерывный и дискретный

Ранние системы изменения фаз газораспределения использовали дискретную (ступенчатую) регулировку. Например, одна схема фаз использовалась при оборотах ниже 3500 в минуту, а другая – выше 3500 в минуту. Более продвинутые системы "непрерывного изменения фаз газораспределения" обеспечивают непрерывную (бесконечную) регулировку фаз газораспределения. Таким образом, фазы газораспределения могут быть оптимизированы для всех оборотов и условий работы двигателя.

Фазирование камеры против переменной продолжительности

Простейшей формой VVT является изменение фаз газораспределения, при котором фазовый угол распределительного вала вращается вперед или назад относительно коленчатого вала. Таким образом, клапаны открываются и закрываются раньше или позже, однако подъем клапанов и продолжительность их открытия не могут быть изменены только системой изменения фаз газораспределения. Для достижения переменной продолжительности в системе VVT требуется более сложная система, такая как несколько профилей кулачков или качающиеся кулачки.

Самолет

Ранний экспериментальный двигатель Clerget V 8 мощностью 200 л.с. 1910-х годов использовал скользящий кулачковый вал для изменения фаз газораспределения. Некоторые версии радиального двигателя Bristol Jupiter начала 1920-х годов оснащались механизмом изменения фаз газораспределения, в основном для изменения фаз впускных клапанов в связи с более высокой степенью сжатия. Двигатель Lycoming R 7755 имел систему изменения фаз газораспределения, состоящую из двух кулачков, которые мог выбирать пилот. Один – для взлета, преследования и ухода от погони, другой – для экономичного крейсерского полета.

Автомобильная промышленность

Желательность изменения продолжительности открытия клапана для соответствия скорости вращения двигателя впервые стала очевидной в 1920-х годах, когда максимально допустимые пределы оборотов начали повышаться. До этого момента обороты двигателя на холостом ходу и его рабочие обороты были очень близки, что не требовало переменной длительности клапана. Первое применение системы изменения фаз газораспределения было осуществлено в 1903 году на Cadillac Runabout и Tonneau, разработанных Алансоном Партриджем Брашем (Патент № 767,794 “МЕХАНИЗМ ПРИВОДА ВПУСКНОГО КЛАПАНА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ”), заявка подана 3 августа 1903 года, выдан 16 августа 1904 года. За некоторое время до 1919 года Лоуренс Померой, главный конструктор Vauxhall, спроектировал 4,4-литровый двигатель для предполагаемой замены существующей модели 30 98, получившей название H Type. В этом двигателе один верхний распредвал должен был перемещаться продольно для включения различных кулачков распредвала. В 1920-х годах начали появляться первые патенты на изменение продолжительности открытия клапанов, например, патент США. В 1958 году Porsche подала заявку на немецкий патент, который также был подан и опубликован как британский патент GB861369 в 1959 году. В патенте Porsche использовался осциллирующий кулачок для увеличения подъема и продолжительности открытия клапана. Десмодромический кулачок приводился в действие через штангу толкателя/тянителя от эксцентричного вала или кулачковой шайбы. Неизвестно, был ли когда-либо создан рабочий прототип. Fiat стал первым автопроизводителем, запатентовавшим функциональную систему изменения фаз газораспределения с переменным подъемом. Разработанная Джованни Тораццой в конце 1960-х годов, система использовала гидравлическое давление для изменения точки опоры толкателей кулачков (патент США № 3,641,988). Гидравлическое давление изменялось в зависимости от скорости двигателя и давления во впускном коллекторе. Типичное изменение открытия составляло 37%. Alfa Romeo стала первым производителем, применившим систему изменения фаз газораспределения в серийных автомобилях (патент США № 4,231,330). Модели Alfa Romeo Spider 2000 1980 года с впрыском топлива оснащались механической системой VVT. Система была разработана Ингом Джанпаоло Гарсеа в 1970-х годах. Все модели Alfa Romeo Spider, начиная с 1983 года, использовали электронную систему VVT. В 1989 году Honda представила систему VTEC. В то время как более ранняя система Nissan NVCS изменяет фазы газораспределения, VTEC переключается на отдельный профиль кулачка на высоких оборотах двигателя для повышения максимальной мощности. Первым двигателем VTEC, выпущенным Honda, был B16A, который устанавливался на Integra, CRX и Civic, доступные в Японии и Европе. В 1992 году Porsche впервые представила VarioCam, которая стала первой системой, обеспечивающей непрерывную регулировку (все предыдущие системы использовали дискретную регулировку). Система была установлена в Porsche 968 и работала только на впускных клапанах.

Мотоциклы

Переменные фазы газораспределения применялись в мотоциклетных двигателях, но до 2004 года считались бесполезной "технологической демонстрацией" из-за увеличения веса системы. С тех пор мотоциклы, оснащенные системой VVT, включают Kawasaki 1400GTR/Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015), BMW R1250GS (2019), Yamaha YZF R15 V3.0 (2017) и Suzuki GSX-R1000R 2017 L7.

Морской

Переменные фазы газораспределения начинают применяться и в морских двигателях. Морской двигатель Volvo Penta с ВВТ использует фазовращатель, управляемый ЭБУ, который непрерывно изменяет угол опережения или запаздывания фаз газораспределения.

Дизель

В 2007 году компания Caterpillar разработала двигатели C13 и C15 Acert, в которых использовалась технология VVT для снижения выбросов NOx и отказа от применения системы EGR после вступления в силу требований EPA 2002 года. В 2010 году Mitsubishi разработала и начала массовое производство двигателя 4N13 объемом 1.8 л, DOHC I4 – первого в мире дизельного двигателя для легковых автомобилей, оснащенного системой изменения фаз газораспределения.

Переключение камеры

Этот метод использует два профиля кулачков, с приводом для переключения между ними (обычно при определенной скорости вращения двигателя). Переключение кулачков также может обеспечивать переменный подъем клапана и переменную продолжительность, однако регулировка дискретная, а не непрерывная. Первым серийным применением этой системы стала система VTEC от Honda. VTEC изменяет гидравлическое давление для приведения в действие штифта, который фиксирует коромысло с большим подъемом и большой продолжительностью к соседнему коромыслу (или коромыслам) с меньшим подъемом и меньшей продолжительностью.

Фазирование камеры

Многие серийные системы ВВТ являются системами изменения фаз газораспределения, использующими устройство, известное как вариатор, которое изменяет фазу (под фазой понимается относительное положение между впускным и выпускным распределительными валами, выраженное в угловой мере) распределительного вала и клапанов. Это позволяет непрерывно регулировать фазы газораспределения (хотя многие ранние системы использовали только дискретную регулировку), однако нельзя регулировать продолжительность открытия и высоту подъема клапанов.

Осциллирующая подвеска

Эти конструкции используют колебательное или качающееся движение части кулачка, который воздействует на толкатель. Этот толкатель, в свою очередь, открывает и закрывает клапан. Некоторые системы с осциллирующими кулачками используют обычный кулачок, а другие – эксцентричный кулачок и шатун. Принцип работы аналогичен принципу паровых двигателей, где количество пара, поступающего в цилиндр, регулировалось моментом "отсечки" пара. Преимущество данной конструкции заключается в непрерывной регулировке подъема и фаз газораспределения. Однако в этих системах подъем пропорционален фазе, поэтому подъем и фазу нельзя регулировать независимо друг от друга. Системы осциллирующих кулачков BMW (valvetronic), Nissan (VVEL) и Toyota (valvematic) воздействуют только на впускные клапаны.

Экцентрический привод с камом

Экцентриковые системы привода работают посредством эксцентрикового дискового механизма, который замедляет и ускоряет угловую скорость кулачка камеры во время его вращения. Замедление кулачка в период его открытия эквивалентно увеличению продолжительности этого периода. Преимущество этой системы заключается в том, что продолжительность может изменяться независимо от подъема клапана (однако эта система не изменяет сам подъем). Недостатком является необходимость использования двух эксцентриковых приводов и контроллеров на каждый цилиндр (один для впускных клапанов и один для выпускных клапанов), что усложняет конструкцию и повышает стоимость. MG Rover – единственный производитель, представивший двигатели, использующие эту систему.

Трехмерная лобка

Эта система состоит из кулачка, форма которого изменяется по длине (похожа на конус). Один конец кулачка имеет профиль с короткой продолжительностью/небольшим подъемом, а другой конец – профиль с большей продолжительностью/большим подъемом. Между ними кулачок обеспечивает плавный переход между этими двумя профилями. Изменяя участок кулачка, контактирующий с толкателем, можно непрерывно регулировать высоту подъема и продолжительность. Это достигается путем осевого перемещения распределительного вала (скольжения по двигателю), так что неподвижный толкатель подвергается воздействию изменяющегося профиля кулачка, создавая различную высоту подъема и продолжительность. Недостатком данной конструкции является необходимость тщательной разработки профилей кулачка и толкателя для минимизации контактных напряжений (из-за изменяющегося профиля). Компания Ferrari часто ассоциируется с этой системой, однако неизвестно, применялась ли она в каких-либо серийных моделях на сегодняшний день.

Коаксиальный профиль с двумя валами

Эта система не применяется ни в одном серийном двигателе. Принцип работы заключается в том, что один толкатель охватывает пару близко расположенных кулачков. До углового предела радиуса основания кулачка толкатель воспринимает объединенную поверхность двух кулачков как непрерывную, гладкую поверхность. Когда кулачки точно выровнены, длительность фазы газораспределения минимальна (и равна длительности фазы каждого кулачка в отдельности), а при максимальном развороте кулачков длительность фазы максимальна. Основное ограничение данной схемы заключается в том, что возможна только вариация длительности фазы, равная радиусу основания кулачка (в градусах распределительного вала или удвоенному значению в градусах коленчатого вала). На практике максимальный диапазон изменения длительности фазы для этого типа фазовращателя составляет около сорока градусов коленчатого вала. Этот принцип лежит в основе, по всей видимости, самого первого предложения по применению фазовращателя, зафиксированного в патентных документах USPTO в 1925 году (1527456). Распредвал Клемсона относится к этому типу.

Крамчатая спиральная вала

Также известная как "комбинированный двухвальный коаксиальный профиль со спиральным движением", эта система не применяется ни в одном серийном двигателе. Она основана на том же принципе, что и предыдущий тип, и может использовать тот же базовый профиль кулачка по длительности. Однако, в отличие от вращения в одной плоскости, здесь регулировка осуществляется как по оси, так и по углу, придавая движению спиральную или трехмерную траекторию. Это движение позволяет преодолеть ограниченный диапазон длительности, характерный для предыдущего типа. Диапазон длительности теоретически неограничен, но на практике обычно составляет около ста градусов поворота коленчатого вала, чего достаточно для большинства случаев. Сообщается, что изготовление такого кулачка сложное и дорогостоящее, требующее высокоточной спиральной обработки и аккуратной сборки.

Двигатели без шпагат

Конструкции двигателей, не использующие распределительный вал для привода клапанов, обладают большей гибкостью в реализации изменяемых фаз газораспределения и изменяемого подъема клапанов. На данный момент единственным серийным автомобилем, использующим конструкцию без распределительного вала, является Koenigsegg Gemera.

Гидравлическая система

Эта система использует моторное масло для управления закрытием впускного клапана. Механизм открытия впускного клапана включает в себя толкатель клапана и поршень внутри камеры. Электромагнитный клапан, управляемый системой управления двигателем, получает питание и подает масло через обратный клапан во время подъема кулачка, масло заполняет камеру, а канал возврата в поддон блокируется толкателем клапана. Во время опускания кулачка, в определенный момент, возвратный канал открывается, и давление масла сбрасывается в масляный поддон двигателя.