Системы изменения фаз ГРМТехнология VVT-iТехнология VTEC

Технология VTEC: DOHC i-VTEC (продолжение)

Общественная организация НАПА предоставляет техническую информацию по современным системам и узлам автомобиля.

Для удобного использования материалы структурированы по категориям на сайте НАПА. Список тем будет постепенно пополняться.

Принцип работы DOHC i-VTEC

На сегодняшний день DOHC i-VTEC – это одна из лучших технологических разработок компании Honda в системе изменения фаз ГРМ, которую применили к автомобилям общего пользования.

Civic Type R, Civic Si, RSX Type S, Accord Euro-R, S2000 – все эти автомобили оснащены системой DOHC i-VTEC.

Вернемся к теории. Непосредственное влияние на процесс газораспределения оказывают кулачки распределительных валов, вернее профиль кулачка, который определяет момент и продолжительность открытия клапана.

Профиль кулачка должен удовлетворять следующие условия:

□ Клапан должен быстро открываться и быстро закрываться. Величина хода клапана должна быть максимально возможной.

□ Процесс движения в целом должен выбираться таким образом, чтобы не вызывать недопустимо больших колебаний пружины клапана.

Если бы существовала возможность создать кулачки, которые отвечали бы всем современным требованиям и запросам по мощности, расходу топлива и токсичности на всем диапазоне работы двигателя, то появление таких систем, как VTEC было бы необъяснимым. Разумеется, создать такие кулачки невозможно.

Время открытия клапанов во время работы двигателя на высоких оборотах, сокращается. Для того, чтобы достигнуть оптимального наполнения цилиндра топливно-воздушной смесью, а после сгорания очистить цилиндры от отработавших газов, клапаны должны открываться раньше и закрываться позже. Подобрать с подходящим профилем кулачек очень легко, однако на низких оборотах за такое газораспределение придется расплачиваться. И дело не только в том, что технические показатели двигателя будут снижены, возрастет расход топлива, а в том, что неэффективная работа двигателя приведет к скорой поломке двигателя. Через преждевременно отрытый выпускной клапан из цилиндра в выпускной коллектор попадут отработавшие газы, еще имевшие нерастраченную на полезную работу энергию, т.е. недогоревшее топливо, которое будет догорать в выпускном коллекторе. По причине позднего закрытия того же выпускного клапана в выпускной коллектор до воспламенения может попасть часть свежей горючей смеси. Другая часть свежего заряда может оказаться также «за бортом» через не успевший закрыться впускной клапан. Эта часть топливно-воздушной смеси попадет обратно во впускной коллектор.

Вы скажите, что с этим неплохо справлялся DOHC VTEC предыдущего поколения, зачем изобретать что-то новое. DOHC i-VTEC позволяет справиться со всеми вышеописанных препятствиями на низких оборотах и обеспечить существенную отдачу на средних и высоких оборотах.

Существуют два типа разновидности DOHC i-VTEC:

DOHC i-VTECDOHC VTEC + VTC
DOHC i-VTEC ISOHC VTEC-E + VTC + стандартный вал распределительный выпускной

VTEC – система изменения фаз газораспределения

Основные принципы работы

Если сравнить характеристики различных двигателей авто, нетрудно заметить, что у одних максимум крутящего момента достигается на низких оборотах (1800-3000 об/мин), у других – на более высоких (3000-4500 об/мин).

Объясняется тем, что эффективное наполнение цилиндров топливо-воздушной смесью и получение высокого крутящего момента, возможно только при определенных оборотах и зависит от конструкции впускного тракта и настройки газораспределительного механизма. Иными словами, темперамент двигателя полностью определяется фазами газораспределения, которые задаются профилем кулачков распредвала.

Представим двигатель, который работал бы на оборотах 20 об/мин, соответственно впускные и выпускные клапана действовали бы 10 раз в минуту, т. е. редко. Для снятия максимального момента на данных оборотах, впускной клапан должен открываться в самом начале такта всасывания, когда поршень начинает двигаться от ВМТ (верхняя мертвая точка), и закрываться в момент прихода поршня в НМТ (нижняя мертвая точка). Аналогично должен работать и выпускной клапан, т. е. никаких задержек или опережений в работе клапанного механизма не допустимо, иначе крутящий момент упадет. В этом случае наполнение цилиндров свежим зарядом будет эффективным.

В таком режиме времени на всасывание поршнем свежей порции заряда остается мало. Только к моменту когда поршень достигнет НМТ ее скорость, а значит и расход через проходное сечение впускных клапанов достигнут максимума, но в этот момент впускной клапан закроется и основная порция свежего заряда не попадет в цилиндры, наткнувшись на преждевременно закрытый клапан – двигатель начнет “задыхаться”. В результате мощность будет незначительна, а максимальные обороты невелики. Это заслуга существующих фаз газораспределения.

Можно настроить по иному, например, для улучшения наполнения цилиндров рабочей смесью на высоких оборотах впускной клапан заставить открываться немного раньше до прихода поршня в ВМТ, а закрываться немного позже после прохода поршнем НМТ. Для улучшения очистки цилиндров от отработавших газов на высоких оборотах выпускной клапан заставить открываться немного раньше до прихода поршня в НМТ, а закрываться немного позже после прохождения им ВМТ. В этом случае пик крутящего момента будет достигаться на высоких оборотах и возрастет мощность.

Двигатели семейства DOHC VTEC

Основой для конструирования DOHC VTEC стал применяемый 4-клапанный газораспределительный механизм. Для каждого ряда клапанов (впускных и выпускных) предусмотрено устройство отдельного распредвала.

На каждые два клапана приходиться три кулачка на распределительном валу. Боковые два предназначены для работы двигателя на низких и средних оборотах, центральный – на высоких. Кулачки воздействуют на клапана через рокера, которых тоже три на два клапана. Все три рокера оборудованы гидравлически управляемыми поршеньками, которые при наличии управляющего воздействия сдвигаются и соединяют их в единое целое. Средний рокер оборудован специальной пружиной, которая обеспечивает постоянный контакт кулачка с рокером на низких и средних оборотах.

Двигатели семейства SOHC VTEC

SOHC VTEC имеет один распредвал и используется только для впускных клапанов. Эффективность работы несколько ниже чем у DOHC VTEC, но она конструктивно проще и обеспечивает двигателю меньшие габариты и массу.

Читать еще: Проверка ремня ГРМ

Основная задача SOHC VTEC-E – максимально снизить расход топлива и улучшить экологические показатели. На малых оборотах двигатель работает на обедненной топливо-воздушной смеси, которая поступает в его цилиндры только через один впускной клапан. Попав туда рабочая смесь интенсивно завихряется, благодаря чему обеспечивается устойчивое ее сгорание. При увеличении оборотов срабатывает система VTEC и тогда оба клапана начинают совместную работу.

Двигатели семейства i-VTEC

Конструкция i-VTEC предполагает использование дополнительную систему VTC, непрерывно регулирующую момент начала открытия впускных клапанов. Фазы открытия впускных клапанов задаются в зависимости от нагрузки двигателя и регулируются посредством изменения угла установки впускного распределительного вала относительно выпускного.

Системы изменения фаз ГРМТехнология VVT-iТехнология VTEC

Система изменения фаз газораспределения (VTC)
Система изменения фаз газораспределения (VTC – Variable Timing Control)
позволяет изменять фазы газораспределения в зависимости от условий работы,
для получения максимальной мощности и уменьшение токсичности отработавших газов.Система VTC изменяет фазы газораспределения посредством изменения углового положения распределительного вала впускных клапанов.

Основным отличием от системы VTEC, которая также изменяет фазы газораспределения, является то, что система VTC изменяет фазы газораспределения постоянно, в зависимости от условий работы.

На рисунке “Регулирование фазами газораспределения системой VTC”, наглядно представлено, что момент открытия впускного клапана изменяется на 50 градусов в сторону опережения. Эта величина, может варьироваться в пределах 25-50 градусов, так на автомобилях Honda Integra это 50 градусов, на Honda Element 25 градусов.

Регулирование фазами газораспределения системой VTC

Работа системы VTC

Схема системы изменения фаз газораспределения (VTC):1 – шкив коленчатого вала, 2 – датчик положения коленчатого вала, 3 – распределительный вал выпускных клапанов, 4 – задатчик, 5 – датчик положения распределительного вала выпускных клапанов, 6 – датчик положения распределительного вала впускных клапанов, 7 – распределительный вал впускных клапанов, 8 – сигнал датчика положения распределительного вала,
9 – сигнал датчика положения коленчатого вала.

При большом угле перекрытия клапанов, уменьшаются насосные потери, в результате увеличивается топливная экономичность. Также имеет место “эффект рециркуляции отработавших газов” (EGR effect)*, в результате чего уменьшается температура сгорания в соответствии с увеличением доли отработавших газов, что приводит к уменьшению выбросов окислов азота (NOx) и углеводородов (НС).
* – EGR effect, в данном случае можно соотнести с термином остаточных газов. Данный эффект достигается организацией закрутки потоков, таким образом, чтобы часть отработавших газов поступала обратно в камеру сгорания.

На режимах холостого хода система управления уменьшает перекрытие клапанов, для стабильности сгорания и уменьшения частоты вращения.

В случае неисправности системы VTEC, управление системой VTC прекращается, и газораспределительный механизм работает по обычной классической схеме.
Фазы газораспределения впускных клапанов регулируются по программе, заложенной в блоке управления. Регулировка осуществляется с помощью муфты системы изменения фаз газораспределения (VTC), установленной на распределительном вале впускных клапанов и электропневмоклапана системы изменения фаз газораспределения (VTC). В зависимости от необходимости увеличения или уменьшения времени открытия впускных клапанов электропневмоклапан подает масло под давлением в отверстие для управления опережением или в отверстие для управления запаздыванием в муфте (рисунок “Работа системы VTC”). Муфта действует на распределительный вал выпускных клапанов, в результате чего впускные клапана открываются либо раньше, либо позже.

Система изменения фаз газораспределения и высоты подъема клапанов (VTEC)
Касаясь истории, система VTEC была внедрена в двигатели Honda с двумя распределительными валами (DOHC) в 1989 году и нашла применение почти на всех сериях двигателей и получает свое техническое развитие и применение на самых последних автомобилях Honda.

Первые поколения систем VTEC изменяли продолжительность открытия клапанов и высоту подъема клапанов. Как правило, система управляла впускными клапанами, и аббревиатура VTEC понималась, как система изменения фаз газораспределения и высоты подъема впускных клапанов (Variable Intake Timing and Lift). Данная система позволяла получить увеличение мощности на высокой частоте вращения и экономичности на низкой частоте вращения.

Дальнейшее развитие системы, применяемой на двигателях серии K20, K24 позволило улучшить показатели топливной экономичности, экологичности и достигать максимальной мощности. Система получила название i-VTEC, система изменения фаз газораспределения и высоты подъема клапанов (Variable valve Timing and lift Electronic Control). Здесь надо понимать, что систему изменения высоты подъема клапанов дополняет система изменения фаз газорас-пределения (VTC):

i-VTEC = VTEC + VTC

Система i-VTEC впервые серийно была установлена на двигатели серии К20, а первый серийный автомобиль, на который в 2001 году был установлен этот двигатель Honda Stream, а с 2001 года устанавливались на Honda Civic Type R, Honda Integra и другие. Совместное управление системами VTC и VTEC показано на рисунке и в таблице:

“Совместное управление системами VTC и VTEC”

Таблица. Совместное управление системами VTС и VTEC

Что лучше vvti или vtec?

Системы смены фаз газораспределения очень массово начали появляться в конце 80-х, в начале 90-х годов. Цель этих систем одна, сделать как можно эластичнее двигатель во всем диапазоне оборотов. Конструктивно VVT-I и Vtec отличаютсяочень существенно, как и за принципом работы.

VVT-I система смены фаз, которая используется на автомобилях Toyota , муфта VVT-I устанавливается на распредвал отвечающий за работу впускных клапанов. Принцип работы очень прост, чем большие обороты тем больше давления масла, которое по масло-каналам попадает в муфту и проворачивает распредвал на 20-30 градусов по направлению вращения коленчатого вала. Недостаток, который присущий не замысловатому механизму, со временем начинает издавать посторонний звук, как у дизеля.

Vtec система, которая используется в автомобилях Honda . По сравнению с VVT-I, система Vtec круче и сейчас расскажу почему. Во-первых, система отличается конструктивно, в случае с VVT-I это муфта внутри, лопасти которой, под давлением масла, проворачивают распредвал. Что касается Vtec здесь намного сложнее.

Читать еще: Параллельная парковка выезд с парковки если машину зажали

В обычных двигателях распредвал имеет по два кулачка, а распредвал c vtec имеет три кулачка и три рокера. Суть заключается в том, что двигателя с vtec крутятся до очень высоких оборотов и после 5500 оборотов срабатывает та самая система vtec, естественно, от давления масла и третий рокер вступает в действие тем самым увеличивая подъем клапанов и прирост мощности. Когда срабатывает vtec , происходит плавный толчок, который некоторые приравнивают как в случае с турбиной.

Чем хороша система vtec?

Система хороша тем, что двигатель очень хорошо работает как на высоких так и на низких оборотах. Система vtec позволила сделать так, что на низких оборотах используется не большое количество топлива, а когда ЭБУ понимает, что обороты перевалили за 5500 тогда становится все равно на расход, он начинает валить как только можно.

В этой системе есть два недостатка:

На очень высоких оборотах выше 10 000 оборотов/минуту мощность растет, а крутящийся момент падает.
Дорогая технология производства.

На смену vtec пришла система i-vtec , которая лишена тех недостатков, но некоторые называют ее не полноценной, хоть она и совершеннее.

Мое мнение, что Vtec круче по той причине, что дает больший прирост мощности, особенно на высоких оборотах.

V-TEC, Vanos и VVT-i: как же они все работают?

Системы изменения фаз газораспределения стали революцией для двигателей внутреннего сгорания, а популярными они стали благодаря японским моделям 90-ых. Но как же самые известные системы отличаются в работе друг от друга?

Двигатели внутреннего сгорания с самого своего создания не были максимально эффективными. Средний КПД таких моторов равен 33 процентам – вся остальная энергия, созданная сгорающей топливо-воздушной смесью, тратится впустую. Поэтому любой способ сделать ДВС более энергоэффективным был востребован, а система изменения фаз газораспределения стала одним из самых удачных решений.

Система меняет фазы газораспределения (момент, в который каждый клапан открывается и закрывается во время рабочего цикла), их длительность (момент, когда клапан открыт) и подъём (насколько клапан может открыться).

Как вы знаете, впускной клапан в двигателе запускает в цилиндр топливо-воздушную смесь, которая затем сжимается, сжигается и выталкивается в открывающийся выпускной клапан. Эти клапана приводятся в движение толкателями, которыми управляет распредвал, используя набор кулачков для идеального соотношения закрытия и открытия.

К сожалению, обычные распредвалы делаются таким образом, что можно управлять только открытием клапанов. В этом и заключается проблема, так как для максимальной эффективности клапана должны закрываться и открываться по-разному на разных оборотах двигателя.

Например, на большой скорости работы мотора впускной клапан нужно открывать несколько раньше из-за того, что поршень движется настолько быстро, что не даёт попасть внутрь достаточному количеству воздуха. Если клапан открыть чуть раньше, то в цилиндр попадёт больше воздуха, что увеличит эффективность сгорания.

Поэтому вместо компромисса между распредвалами для больших и малых оборотов появилась система изменения фаз газораспределения, признанная одной из наиболее эффективных в этой области. Разные компании по-разному интерпретировали эту технологию, поэтому давайте разберёмся с самыми популярными из них.

VTEC.

Решение от Honda заключалось в форме распредвала, так как каждый распредвал имел два набора кулачков, смена между которыми происходила в зависимости от оборотов двигателя. VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) при помощи гидравлики выбирает между одним набором кулачков, когда мотор работает на низких оборотах, и другим, когда он приближается к красной зоне. Такая система в свою очередь позволила одновременно и снизить расход топлива, и повысить мощностные показатели при использовании одного распредвала, сделав моторы Honda очень разносторонними.

Гидравлическое переключение контролируется блоком управления, который использует информацию о давлении масла, температуре двигателя, скорости автомобиля и оборотов двигателя. После этого программа решает, какой из двух вариантов кулачков использовать, используя соленоид, который отправляет масляное давление посредством специфического клапана, а затем запирает механизм штифтом, закрепляя выбор за одним из вариантов.

Такая смена вариантов кулачков подразумевала, что двигатели Honda с VTEC в самом высоком диапазоне оборотов выдают максимальную мощность, как раз после того, как система “срабатывает”. И пусть эффект от неё не такой, как от турбины, но многие фанаты всё равно останутся верны VTEC-моторам, рассказывая о том, как они едут на самых высоких оборотах.

VVT-i.

Система изменения фаз газораспределения от Toyota создана по пути использования шестерён распредвала для изменения отношений между ремнём или цепью ГРМ и распредвалом. Специальный ротор внутри шкива распредвала может вращаться под нагрузкой от пружины, поворачивая распредвал на дополнительные несколько градусов, задерживая или опережая взаимодействие между зубьями шкива и вращающейся цепи.

Такая система сдвига фаз газораспределения, при которой внутренний ротор в шкиве распредвала может влиять на положение распредвала, тем самым изменяя время взаимодействия кулачков и толкателей, применяется на многих моторах Toyota. Впервые технология была представлена на двигателе 2JZ-GE, устанавливаемом на знаменитую Toyota Supra в кузове A80.

Vanos.

Vanos (или Variable Nockenwellensteuerung) – попытка компании BMW создать систему изменения фаз газораспрделения, и впервые она была применена на моторе M50, устанавливаемом на 5-серию в 90-ых годах прошлого века. Он также использует принцип задерживания или опережения взаимодействия механизмов ГРМ, но с использованием зубчатой передачи внутри шкива распредвала, которая двигается вместе или против распредвала, изменяя фазы работы. Этот процесс контролируется электронным блоком управления, который использует давление масла для движения зубчатой передачи вперёд или назад.

Как и в случае с остальными системами, зубчатая передача движется вперёд для того, чтобы открывать клапана немного раньше, увеличивая количество воздуха, поступающего в цилиндры и увеличивая выходную мощность двигателя. На самом деле, сначала BMW представили одиночный Vanos, который работал только на впускном распредвале в определённых режимах на разных оборотах двигателя. Немецкая компания позже разработала систему с двумя Vanos, которая считается более продвинутой, так как влияет на оба распредвала, а также регулирует положение дроссельной заслонки. Двойной Vanos был создан для S50B32, который ставили на BMW M3 в кузове E36, а также Z3 M.

Читать еще: Продажа красивых гос номеров в Оренбурге

Сейчас практически у каждого крупного производителя есть собственной название для системы фаз газораспределения – у Rover это VVC, у Nissan – VVL, а Ford разработали VCT. И в этом нет ничего удивительного, учитывая, что это одна из самых удачных находок для двигателей внутреннего сгорания. Благодаря ей производители смогли и уменьшить расход, и увеличить мощность своих моторов.

Но с приходом пневматического управления клапанами эти системы уйдут на покой. Однако сейчас – как раз их время.

VVT-i: что это за система на Toyota

Компания Toyota известна своими высокотехнологичными решениями, которые можно приводить в качестве образца инженерного искусства. Один из таких примеров — система динамического газораспределения VVT-i или Variable Valve Timing with intelligence. Благодаря её работе автомобили Toyota могут похвастать выдающимися показателями мощности, экономичности, бережного отношения к окружающей среде. Давайте посмотрим, как работает VVT-i, и почему она так эффективна.

Что такое VVT-i на Toyota

Для начала вспомним, как работает газораспределение на обычных двигателях. На фазе впуска цилиндр через открывшийся впускной клапан наполняется воздушно-топливной смесью, после чего наступает фаза её сжатия поршнем. В фазе рабочего хода смесь воспламеняется, в фазе выпуска — удаляется из цилиндра через открывшийся выпускной клапан. В теории — довольно просто, но на практике возникает ряд проблем.

Так, автомобилисты хотят больше мощности, экономичности и экологичности одновременно, но эти желания противоречат друг другу. Ведь для наращивания мощности нужно дольше держать открытым впускной клапан, чтобы цилиндр получил больше топливной смеси. При этом закономерно падает экономичность и чистота выхлопа. Найти золотую середину очень трудно из-за того, что условия работы двигателя постоянно меняются.

Есть и более прозаическая проблема — фазы газораспределения отрабатывают не мгновенно, а с некоторой задержкой. Например, между открытием впускного клапана и впуском топливной смеси проходит некоторое, хоть и довольно малое, время. И задержки эти меняются в зависимости от оборотов и прочих факторов. Сделать в таких условиях фиксированную высокоэффективную настройку газораспределения практически невозможно.

Поэтому Toyota в 1996 году внедрила в свои двигатели VVT-i — интеллектуальную систему газораспределения, которая регулирует настройки фаз на ходу, в зависимости от текущих условий работы двигателя. VVT-i первого поколения позволил добиться ощутимых улучшений:

мощность и крутящий момент выросли на 10% в среднем;
расход топлива в городском цикле снизился на 6-8 процентов;
концентрация оксида азота в выхлопе упала на 40%;
улучшилось поведение автомобиля на низких оборотах;
более эффективное использование турбонаддува.

Как работает VVT-i

Есть несколько условных поколений системы, их устройство несколько различается в деталях. Но в целом, принцип работы системы VVT-i один и тот же. Привод VVT-i размещается в шкиве распредвала. При этом корпус привода соединяется со звездочкой или зубчатым шкивом, а ротор привода соединяется с распредвалом. Масло подается в привод с одной или другой стороны каждого из лепестков ротора. В результате ротор и распредвал поворачиваются на нужный угол.

Когда двигатель работает на холостых оборотах, VVT-i удерживает распределительный вал на минимальном углу наклона. Благодаря этому впускные клапаны открываются точно в момент начала фазы впуска, при этом длина их выбега относительно мала. Так достигается стабильная работа двигателя без необходимости повышать обороты, и сводится до нуля вероятность перекрытия клапанов впуска и выпуска. Расход топлива в этом случае минимален.

При движении со средней скоростью VVT-i поворачивает распределительный вал так, чтобы добиться упреждающего открытия впускных клапанов и их перекрытия с выпускными. Вследствие этого цилиндры получают полноценное насыщение топливной смесью, а поршни в фазе выпуска — минимальное сопротивление, так как впускной клапан в этот момент тоже приоткрыт. Это приводит к уменьшению расхода топлива и более чистому выхлопу.

Наконец, в максимальном режиме, когда педаль газа нажата «в пол», вал ГРМ поворачивается на максимальный угол. При этом впускные клапаны продолжают открываться раньше начала фазы впуска, а закрываться — наоборот, с запаздыванием. Так двигатель выходит на максимальную мощность и крутящий момент, одновременно удерживая более умеренный расход топлива.

Читайте также: Что такое CRDI двигатель и как он работает.

Что такое Dual VVT-i и VVT-iE

Разумеется, Toyota не остановилась на достигнутом и совершенствовала систему динамического газораспределения. Следующим эволюционным этапом стала система Dual VVT-i, которая научилась управлять распределительным валом не только впускных, но и выпускных клапанов. Последняя же модификация — VVT-iE, её отличия куда глубже. Так, регулировка углов поворота валов ГРМ теперь производится не давлением масла, а специальным электромотором. Все эти усовершенствования дали ряд преимуществ: