Как устроен фазовращатель грм

Современные системы управления фазами ГРМ

Фаза газораспределения непосредственно определяет эффективность работы двигателя внутреннего сгорания. Фаза ГРМ означает своевременное открытие и закрытие клапанов, а также время клапанов в открытом состоянии.

До момента появления фазовращателей, на всех моторах кулачок распределительного вала непосредственно воздействовал на клапан, и определял время открытия клапанов, время, при котором клапан открыт, а также высоту подъема клапана. Отмечу, что движение топливовоздушной смеси и отработанных газов отличается в зависимости от типа режима работы мотора. Этот параметр определяет эффективность работы двигателя.

При наличии фиксированной фазы газораспределительного механизма, перед конструкторами силовых агрегатов стоит серьезная задача — сделать двигатель таким образом, чтобы в режиме минимальных и средних оборотов сохранялся крутящий момент ближе к пиковому значению, а при достижении максимальных оборотов, полка крутящего момента не упала резко. Ко всему прочему, нужно сохранить эластичность в переходных режимах, а также стабильный холостой ход. Фиксированная фаза не дает возможность охватить все режимы работы двигателя с одинаковой эффективностью, поэтому была придумана система изменения фаз ГРМ.

Система регулировки фаз позволяет в динамическом режиме изменять значения фаз, в зависимости от степени нагрузки двигателя и оборотов. Тем самым, распределительные валы смещаются в фазах, а полка крутящего момента выравнивается. Благодаря фазовращателям можно на ходу корректировать время открытия и закрытия клапанов, время перекрытия, высота подъема клапанов. Фазы газораспределения управляют моментом тактов двигателя, смещая момент фазы в ту, или иную сторону.

Что дает фазовращатель

Максимальная величина КПД на атмосферных моторах во многом зависит от фаз ГРМ. Например: в режиме холостого хода требуется максимально узкая фаза, которая означает более позднее открытие впускного или максимально раннее открытие выпускного клапана. В данном случае перекрытие клапанов исключено, когда оба клапана открыты, ведь малое количество оборотов коленвала позволяет выхлопным газам попасть во впускной коллектор, а топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор.

В режиме максимальной мощности требуется большое количество топливно воздушной смеси. Так как коленвал двигается намного быстрее, то времени на открытие клапанов остается крайне мало, отчего на некоторых моторах клапана не успевают закрываться, и “зависают”, встречаясь с поршнем.

Фазовращатель, для максимального наполнения, позволяет раньше открыть клапан, а также увеличить время его открытия, что называется “расширить фазу”. Тем самым, расширяется фаза перекрытия для обеспечения качественной продувки цилиндра.

Кулачок распредвала имеет такую форму, которая обеспечивает широкую и узкую фазу. Проблема фиксированной фазы заключается в невозможности одновременного обеспечения узкой и широкой фазы. Это говорит о том, что инженеры подобрали форму кулачка таким образом, чтобы обеспечить баланс между максимальным крутящим моментом на средних оборотах, и максимальной мощности на высоких оборотах.

Фазовращатель же обеспечивает гибкость, позволяющую подстраивать фазы под конкретный режим работы мотора, а итог такого действия — достижение крутящего момента в необходимом диапазоне оборотов и топливная экономичность.

Какие бывают виды фазовращателей

В современных моторах применяются три вида регулировки фаз ГРМ:

• система поворота распределительного вала;
• различный профиль кулачков распредвалов;
• механизм изменения подъема клапанов.

Гидроуправляемая муфта системы фазовращателя

Ступенчатое изменение фаз газораспределения

Посредством эволюции в моторостроении, инженерам удалось эффективно настраивает расширение и сужение фаз. Подобное решение основывается на ступенчатом исполнении кулачков. Система изменения формы кулачков применяется в моторах Honda (VTEC), Mitsubishi (MIVEC) и Toyota (VVTL-i).

Вышеуказанные системы одинаковы по принципу действия, а именно: распределительный вал здесь имеет два кулачка малой формы и один кулачок большого диаметра. Маленькие кулачки сообщаются с клапаном через рокера, а большой кулачок отвечает за движение незадействующего коромысла.

Эта система, в зависимости от режима работы мотора, позволяет переключаться между большим и малым кулачком, изменяя фазу ГРМ. Эластичность переходного режима обеспечивается гидравлическим блокирующим устройством.

При работе на малых оборотах и холостом ходу задействованы малые кулачки с узкой фазой, а при повышении нагрузки задействован широкофазный большой кулачок.

Система регулировки подъема клапана

Новатором этой технологии в 2001 году стала компания BMW с системой Valvetronic. Эта система позволила отказаться от дроссельной заслонки, а количество впускного воздуха определять высотой подъема клапана. Однако, дроссельная заслонка на двигателе присутствует но она все время открыта.

Лучшее решение от образования разряжения — это открытие клапана тогда, когда требуется максимальное наполнение цилиндра смесью. Время открытия клапана зависит от степени нажатия на педаль газа. Valvetronic позволяет экономить до 15% топлива, а также повысить мощность на 10% относительно мотора с таким же объемом.

Данная система имеет в конструкции вал-эксцентрик и промежуточный вал. Эксцентриковый вал вращается при помощи электродвигателя с червячной передачей. Вращение вала воздействует на промежуточный рычаг, который меняя свое положение, заставляет двигаться коромысло в заданном положении, согласно режиму работы ДВС.

Система работает постоянно, в зависимости от режима работы мотор, диапазон подъема клапана может варьироваться от 0,2 до 12 мм.

Современные системы фазовращателей направлены на достижение максимального КПД двигателя от своевременного смещения фазы ГРМ и нужного подъема клапана. Любая из вышеуказанных систем представляет собой сложную конструкцию, которая требует вмешательства в виде обслуживания и ремонта, как минимум раз в 150 000 км.

Источник

Принцип работы фазовращателя

Для чего нужны фазовращатели

ФАЗОВРАЩА́ТЕЛЬ — уст­рой­ст­во для из­ме­не­ния фа­зы элек­трических (элек­тро­маг­нит­ных) ко­ле­ба­ний. При­ме­ня­ет­ся в ав­то­ма­ти­ке, пре­об­ра­зо­вательной, из­ме­рительной и СВЧ-тех­ни­ке для из­ме­не­ния фор­мы вход­но­го сиг­на­ла, ком­пен­са­ций фа­зо­вых ис­ка­жений сиг­на­лов, фа­зо­вой мо­ду­ля­ции, соз­да­ния за­дан­ных фа­зо­вых сдви­гов сиг­на­лов в ко­ге­рент­ных ра­дио­сис­те­мах (напр., в фа­зи­ро­ван­ных ан­тен­ных ре­шёт­ках) и др.

Большинство современных ДВС все более активно получают систему изменения фаз газораспределения.

Фиксированные фазы газораспределения заставляют конструкторов ДВС проектировать мотор так, чтобы присутствовала уверенная тяга в диапазоне низких и средних оборотов, но при этом оставался запас мощности для поддержания набранной скорости и дальнейшего ускорения автомобиля при выходе ДВС на режимы около зоны максимальных оборотов.

Система изменения фаз газораспределения VVT (англ. Variable Valve Timing) создана для динамичной корректировки рабочих параметров механизма газораспределения.

Данное управление осуществляется с учетом различных режимов работы силового агрегата.

Эта система позволяет добиться повышения мощности мотора и моментной характеристики. Она обеспечивает экономию горючего, а также снижает токсичность выхлопных газов в процессе работы двигателя.

Кроме этого, она влияет на основные параметры работы газораспределительного механизма. К таким параметрам относят моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, длительность времени открытия клапана и высоту его подъема. От этого зависит продолжительность такта впуска и выпуска, что выражается тем углом, на который повернут коленчатый вал двигателя по отношению к мертвым точкам (ВМТ и НМТ) во время движения поршня в цилиндре. Форма кулачка распределительного вала определяет фазу газораспределения, так как указанный кулачок оказывает прямое воздействие на впускной или выпускной клапан ГРМ.

Для чего необходима система изменения фаз газораспределения

В режиме холостого хода наиболее рациональными становятся «узкие» фазы газораспределения, под которыми понимается позднее открытие и ранее закрытие клапанов. При этом исключается перекрытие фаз, под которым понимается время одновременного открытия впускного и выпускного клапана. Это необходимо для того, чтобы исключить попадание выхлопных газов во впуск и выброс топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор.

Выход мотора на режим максимальной мощности означает повышение оборотов, так как распредвал крутится быстрее и время открытия клапанов сокращается. Для того чтобы не терялась мощность и крутящий момент на высоких оборотах сохранялся, в двигатель должно поступать намного больше топливно-воздушной смеси, а выпуск отработавших газов должен быть реализован максимально эффективно. Задача решается путем раннего открытия клапанов и увеличения времени их открытия, делая фазу «широкой». Фаза перекрытия также расширяется до максимума с ростом оборотов, что необходимо для качественной продувки цилиндров.

Если мотор работает на низких оборотах, нужны максимально короткие фазы газораспределения.

Время открытия клапана должно быть увеличено до максимума, параллельно обеспечивая такты впуска и выпуска, а также эффективное перекрытие.

Сам кулачок распредвала имеет форму, которая способна обеспечить как реализацию узкой, так и широкой фазы.

Проблема заключается в том, что фиксированная форма кулачка не позволяет одновременно добиться узких и широких фаз газораспределения.

Системы изменения фаз газораспределения

система поворота распредвала;

кулачки распредвала с различным профилем;

система изменения высоты подъема клапанов;

система на основе гидроуправляемой муфты;

Работа указанных выше систем основывается на небольшом повороте распредвала по ходу его вращения. Такой способ позволяет добиться раннего открытия клапанов сравнительно с их базовым начальным положением.

Поворот распредвала осуществляется при помощи электроники управления и гидравлики, а сама система чаще всего затрагивает только впускные клапаны. Рост оборотов ДВС приводит к тому, что фазовращатель осуществляет проворот распредвала по ходу его вращения, впускные клапана открываются раньше и цилиндры намного более эффективно наполняются рабочей смесью в режиме высоких оборотов.

Данная муфта конструктивно включает в себя:

ротор, который соединен с распредвалом;

корпус, которым выступает шкив привода распредвал.

В определенные полости, которые расположены между ротором и корпусом-шкивом, попадает моторное масло из системы смазки ДВС. Масло в муфту подается по особым каналам. Когда моторное масло заполняет одну или другую полость муфты, осуществляется поворот ротора по отношению к корпусу. Этот поворот ротора означает, что и распределительный вал будет повернут на необходимый угол.

Чаще всего местом установки гидроуправляемой муфты становится привод того распределительного вала, который отвечает за работу впускных клапанов. Встречаются также конструкции ДВС, когда подобные муфты-фазовращатели стоят как на впускном распредвале, так и на выпускном. Данное решение позволяет шире и эффективнее регулировать параметры работы ГРМ на впуске и выпуске, но усложняет механизм.

Фазовращатели ГРМ

Электронное управление автоматически регулирует работу гидроуправляемой муфты.

Система такого управления включает в себя:

группу входных датчиков;

электронный блок управления;

список исполнительных устройств.

Система управления получает показания от датчика Холла, который производит оценку положения распредвалов. Дополнительно задействованы и другие датчики, которые используются ЭБУ для управления работой всего двигателя.

К таковым относят датчик, измеряющий частоту вращения коленвала, температурный датчик охлаждающей жидкости (ОЖ), датчик расхода воздуха и другие. Сигналы от этих датчиков подаются в ЭБУ, который после отправляет соответствующий сигнал на специальное управляющее (исполнительное) устройство.

Таким устройством, на которое воздействует электронный блок управления двигателем, является электромагнитный клапан (электрогидравлический распределитель). Клапан представляет собой распределитель, который при необходимости открывает доступ потоку моторного масла к гидроуправляемой муфте, а также реализует отвод масла от фазовращателя. Это зависит от того, в каком режиме работает силовой агрегат.

Данная схема изменения фаз газораспределения с использованием муфты задействуется в момент работы двигателя на холостом ходу, (мотор работает на самых низких оборотах), в режиме максимальной мощности на высоких оборотах, а также в том режиме, когда осуществлен выход ДВС на максимум крутящего момента.

Система ступенчатого изменения фаз газораспределения

Здесь используются решения, основанные на использовании кулачков распредвала разной формы. Благодаря такому способу удается достичь ступенчатого изменения момента времени, на который открывается клапан, а также изменить саму высоту подъема клапанов. Распределительный вал в таких системах управления фазами газораспределения выполнен так, что имеет сразу два кулачка малого размера, а также один кулачок большего размера. Меньшие кулачки при помощи специального рокера (коромысла) соединяются с впускными клапанами. Большой кулачок отвечает за перемещение одного незадействованного коромысла.

Трехступенчатое регулирование фаз газораспределения

Такая система позволяет переключаться с малых кулачков на большой зависимо от режима работы ДВС. Переход между режимами достигается благодаря тому, что происходит срабатывание специального механизма блокировки. Указанный блокирующий механизм основан на гидравлическом приводе.

Когда мотор работает на низких оборотах и при незначительной нагрузке, впускные клапаны приводятся в действие малыми кулачками распределительного вала, фазы газораспределения в таком режиме имеют небольшую продолжительность (узкая фаза).

Если двигатель раскручивается до определенных оборотов, система управления активирует механизм блокировки. В результате происходит соединение коромысел малых и большого кулачков, что обеспечивает жесткость конструкции. Соединение происходит при помощи особого стопорного штифта, а усилие на впускные клапаны начинает поступать от единственного большого кулачка. Малые кулачки распредвала на высоких оборотах двигателя становятся неактивными.

Выход на режим максимальных оборотов заставляет впускные клапаны работать от центрального кулачка большого размера. Указанный кулачок имеет особый профиль, который специально подобран для достижения максимального подъема клапанов, что означает повышение отдачи от ДВС на мощностных режимах работы агрегата. Такой подход значительно расширил возможности управления параметрами ГРМ для эффективного регулирования работы двигателя на различных режимах.

Системы изменения фаз газораспределения

В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования.

Чтобы варьировать фазами газораспределения, необходимо изменять положение распределительного вала относительно коленчатого.

Холостой ход. На этом режиме работы следует устанавливать такой угол поворота распределительного вала, который соответствует самому позднему началу открытия впускных клапанов (максимальный угол задержки, при минимальном перекрытии клапанов). Этим обеспечивается минимальное поступление отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя и снижение расхода топлива.

Режим низких нагрузок. Перекрытие клапанов уменьшается для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.

Режим средних нагрузок. Перекрытие клапанов увеличивается, что позволяет снизить «насосные» потери, при этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет снизить температуру рабочего цикла и вследствие этого содержание оксидов азота в отработавших газах.

Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала. На этом режиме обеспечивается раннее закрытие впускных клапанов, что обеспечивает увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель бо­лее четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно в транспортном потоке.

Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала. Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо перекры­тие клапанов около ВМТ с большим углом поворота коленчатого вала. Это связано с тем, что мощность в наиболь­шей степени зависит от максимально возможного количества топливно-воздушной смеси, попадающей в цилиндр за ко­роткое время, но, чем выше частота вращения, тем меньше время, отводимое на заполнение цилиндра.

Главными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

• улучшение качества работы двигателя на холостом ходу
• снижение расхода топлива
• оптимизация крутящего момента в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала
• увеличение внутренней рециркуляции отработавших газов с сопутствующим ей снижением температуры газов при сгорании и уменьшением выброса оксидов азота
• увеличение мощности в области высоких частот вращения коленчатого вала

Источник