В VTEC се доверяваме, VVT-i и други системи за синхронизация на клапаните ©
Ефективността на двигателя с вътрешно горене се определя главно от организацията на процеса на газообмен, тоест висококачествено и навременно пълнене и почистване на цилиндрите. Тази задача е възложена на газоразпределителния механизъм и зависи от времето на клапаните - моментите и продължителността на отвореното състояние на всмукателните и изпускателните клапани. Ако клапаните са отворени за кратко време, фазите се наричат "тесни". Колкото по-дълго са отворени клапаните, толкова по-широки са фазите.
При ниски скорости на коляновия вал обемите и скоростта на движение на горимата смес и отработените газове са малки, поради което фазите трябва да са тесни и припокриването (времето за едновременно отваряне на всмукателните и изпускателните клапани е минимално. В този случай, прясната смес не се вкарва в изпускателния колектор през отворения изпускателен клапан и съответно отработените газове не навлизат във входа. Ако фазите се "удължат" при ниски обороти, отработените газове ще се смесят с работната смес, като по този начин намаляване на качеството му и причиняване на спад в мощността и нестабилна работа на двигателя.
С увеличаване на оборотите, обемите и скоростта на движение на изпомпваната смес и отработените газове за единица време пропорционално се увеличават, поради което са необходими „широки“ фази и по-дълги времена на припокриване за по-добро продухване на цилиндъра. Продухване - изместването на отработените газове от цилиндъра от горивно-въздушна смес, движеща се с висока скорост.
Ширината на фазата се определя от формата на гърбиците на разпределителния вал. Колкото по-висока е височината на гърбицата, толкова по-високо е повдигането на клапана. Колкото по-глупав е краят му, толкова по-дълго е максималното време за повдигане на клапана. По този начин, като избират формата на гърбиците, дизайнерите могат да настроят двигателя да работи само в определен диапазон на скоростта. В дизайна на конвенционален пътен автомобил, средният разпределителен вал е проектиран да балансира мощността и ефективността. С отклонение от този диапазон, както в посока на намаляване, така и в посока на увеличаване, ефективността на двигателя с вътрешно горене ще намалее. Например, „теснофазен“ двигател няма да позволи да развие висока мощност, а „широкофазен“ двигател ще работи нестабилно при ниски обороти, което ще доведе до увеличаване на оборотите на празен ход. Следователно идеалното решение би било да се променя фазовата ширина в зависимост от оборотите на двигателя. Така се появиха системите за управление на времето на клапаните.
За техническото изпълнение на идеята за фазов контрол са създадени много проекти. Описването им ще отнеме повече от една страница. Затова ще се запознаем с устройството само на няколко - както прости, изпитани във времето системи, така и най-модерните.
Въртене на разпределителния вал
Един от начините за регулиране на времето на клапаните е да се промени положението на разпределителния вал спрямо първоначалното му положение, в зависимост от условията на работа на двигателя. Като пример, разгледайте системата с променлив момент на клапана (VVT), използвана за автомобили на Volkswagen. Проектиран е за оптимизиране на фазите, когато двигателят работи на празен ход, максимална мощност и максимален въртящ момент.
Системата VVT включва следните компоненти:
• Два хидравлично задвижвани съединителя (наричани още фазови превключватели), монтирани на всмукателните и изпускателните разпределителни валове.
И двата съединителя са свързани през разпределителния кожух към системата за смазване на двигателя. Съединителите се състоят от външна обвивка, вградена в зъбно колело и ротор, неподвижно свързан към вала. Тялото и роторът могат да бъдат изместени един спрямо друг
• Корпус на механизма за синхронизация, монтиран на цилиндровата глава на двигателя. Каналите за подаване и изпускане на масло към двата съединителя на разпределителния вал преминават вътре в корпуса.
• Два електрохидравлични контролни клапана. Тези клапани са монтирани на корпуса на клапана. Те служат за регулиране на подаването на масло от системата за смазване на двигателя към двата фазопреобразувателя.
Системата VVT се управлява от блока за управление на двигателя. Получавайки данни от сензори за скоростта на коляновия вал, натоварването на двигателя, температурата на охлаждащата течност, както и за моментното положение на коляновия вал и разпределителните валове, ECU изпраща сигнал до електрохидравличните разпределители. Разпределителите отварят съответните канали за подаване на масло, разположени в корпуса на клапана. Маслото от системата за смазване на двигателя влиза в хидравличните съединители, които въртят разпределителните валове.
При празен ход всмукателният вал се върти по такъв начин, че да осигури по-късно отваряне и съответно по-късно затваряне на всмукателните клапани, а изпускателният вал се върти така, че изпускателният клапан да се затвори много преди буталото да достигне TDC. В резултат количеството отработени газове в сместа е намалено до минимум, което благоприятства стабилизирането на изгарянето в цилиндрите на двигателя и увеличаването на еднородността на работата му в този режим.
Изпускателните клапани се забавят, за да постигнат максимална мощност при високи обороти на двигателя. Това увеличава продължителността на налягането на газа върху буталото при хода. Входящият клапан се отваря след TDC и се затваря относително късно след BDC. В този случай динамичните процеси във всмукателната система се използват, за да се получи ефектът от презареждане на цилиндрите и съответно увеличаване на мощността на двигателя.
За да се получи максимален въртящ момент, е необходимо да се осигури възможно най-високото съотношение на пълнене на цилиндрите. За целта е необходимо по-рано да се отворят и затворят всмукателните клапани, за да се предотврати връщането на сместа от цилиндрите във всмукателния колектор. В този случай изпускателните клапани се затварят малко преди TDC. Повече подробности за системата VVT можете да намерите тук (PDF формат).
Подобни системи са инсталирани в техните двигатели Renault (VCP), BMW (VANOS/Double VANOS), Toyota (VVT-i), Honda (VTC). Някои от тях използват фазови превключватели само на разпределителния вал на всмукателния вал, някои, като VVT, и на двата. Недостатъкът на такива системи е, че те могат да изместват фазите само в една или друга посока, но не могат да ги „стеснят“ или „разширят“.
Такива възможности се осигуряват например от променливото синхронизиране на клапаните и електронното управление на повдигането (VTEC), създадени от инженерите на Honda. Той е в състояние да разширява фазите при високи скорости, като променя повдигането на клапана. От самото си създаване системата е претърпяла няколко подобрения. Тук ще разгледаме третата му версия - системата DOHC i-VTEC. Това е симбиоза на системата VTEC със системата VTC (Variable Timing Control). Именно наличието на VTC добави буквата "i" към обозначението на системата.
Основата на всяко поколение VTEC е използването на три гърбици на двойка клапани. Съществуват и три ракети, съответно. Двата външни клавиша са разположени точно над клапаните, третият е между тях. Двете външни гърбици са с нисък профил и са проектирани да осигурят оптимална производителност при ниски до средни скорости. Силата от средно високия профил се прехвърля към клапаните само при високи обороти в минута.
Ration Работа на системата VTEC
Как става това? До около 5500 оборота в минута разпределението на газа се осигурява от външните гърбици през техните клавишни рамена. Въпреки че средният клавиш се задвижва от гърбица, това няма ефект върху клапаните - системата VTEC е деактивирана. С допълнително увеличаване на скоростта, системата VTEC се активира. Блокът за управление издава команда и щифтът, управляван от налягането на маслото, движейки се, затваря и трите ракели. По този начин те образуват едно средно рамо, което се въздейства само от средната гърбица. В резултат на това се увеличава повдигането на клапаните, а заедно с това и ширината на фазите, осигурявайки по-добро пълнене и почистване на цилиндрите. VTEC е инсталиран както на всмукателните, така и на изпускателните разпределителни валове.
Ами системата VTC? Той, за разлика от VTEC, работи през целия диапазон на оборотите, като регулира времето за отваряне на всмукателните клапани в зависимост от натоварването на двигателя. Структурно тя е подобна на гореописаната VVT система, тоест представлява фазов превключвател, монтиран на всмукателния разпределителен вал. VTC ви позволява допълнително да увеличите мощността, въртящия момент, да намалите разхода на гориво и вредните емисии, като промените времето на клапаните, като завъртите разпределителния вал в правилната посока.
Системи като VTEC се произвеждат от други производители, например Toyota (VVTL-i), Mitsubishi (MIVEC). Техният недостатък е поетапното фазово превключване между тясно и широко. И в идеалния случай бих искал да постигна плавно регулиране, което ви позволява да се приспособите по-точно към режима на работа на двигателя.
И такива системи са създадени! Първият се появи Valvetronic от BMW, при който фазите се контролират чрез плавна смяна на повдигането на всмукателните клапани. Благодарение на тази система за първи път беше възможно да се създаде бензинов двигател без дроселова клапа. Скоро Nissan (VVEL) и Toyota (Valvematic) усвоиха подобни технологии. Последната революционна разработка беше представена от Fiat под името MultiAir. Оборудваният с тази система двигател 1.4 Turbo спечели престижната титла "Двигател на годината" през 2010 година.