Что такое фазы газораспределения и как они работают

В конструкцию четырехтактного двигателя, работающего по принципу выделения энергии во время сгорания смеси топлива и горючего, входит один важный механизм, без которого агрегат не сможет функционировать. Это ГРМ или газораспределительный механизм.

В большинстве стандартных моторах он устанавливается в головке блока цилиндров. Подробней об устройстве механизма рассказывается в отдельной статье. Сейчас сосредоточимся на том, что такое фаза газораспределения, а также как ее работа влияет на мощностные показатели мотора и его КПД.

Что такое фазы газораспределения двигателя

Коротко о самом механизме ГРМ. Коленчатый вал через ременный привод (во многих современных двс вместо прорезиненного ремня устанавливается цепь) соединен с распредвалом. Когда водитель запускает ДВС, стартер проворачивает маховик. Оба вала начинают синхронное вращение, но с разной скоростью (в основном за один оборот распределительного вала коленчатый совершает два оборота).

На распределительном валу имеются специальные кулачки, выполненные в форме капельки. Когда конструкция проворачивается, кулачок надавливает на подпружиненный шток клапана. Клапан открывается, позволяя топливно-воздушной смеси попасть в цилиндр или удалить выхлоп в выпускной коллектор.

Фазой газораспределения как раз и называется момент, когда клапан начинает открывать впускное/выпускное отверстие до того мгновения, когда происходит его полное закрытие. Каждый инженер, трудящийся над разработкой силового агрегата, рассчитывает, какой должна быть высота открытия клапана, а также на какое время он останется в открытом состоянии.

Влияние фаз газораспределения на работу двигателя

В зависимости от того, в каком режиме работает мотор, газораспределение должно начинаться либо раньше, либо позже. Это влияет на КПД агрегата, его экономичность и максимальный крутящий момент. Причина в том, что своевременное открытие/закрытие впускного и выпускного коллекторов имеет ключевое значение в максимально эффективном использовании энергии, высвобождающейся в процессе сгорания ВТС.

Если впускной клапан начинает открываться не в тот момент, когда поршень выполняет такт впуска, то будет происходить неравномерное наполнение полости цилиндра свежей порцией воздуха и горючее хуже смешается, что приведет к неполному сгоранию смеси.

Что касается выпускного клапана, то он тоже должен открываться не раньше, чем поршень займет нижнюю мертвую точку, но и не позже того, как он начнет свой ход вверх. В первом случае компрессия упадет, а вместе с ней мотор потеряет мощность. Во втором – продукты горения при закрытом клапане будут создавать сопротивление для поршня, начавшего свой подъем. Это дополнительная нагрузка на кривошипно-шатунный механизм, что может вывести из строя некоторые его детали.

Для адекватной работы силового агрегата требуются разные фазы газораспределения. Для одного режима нужно, чтобы клапана открывались раньше и закрывались позже, а для других – наоборот. Также имеет большое значение параметр перекрытия – будут ли одновременно открыты оба клапана.

Большинство стандартных моторов имеют неменяющееся газораспределение. Такой двигатель в зависимости от типа распредвала будет иметь максимальную эффективность либо в спортивном режиме, либо при размеренной езде на пониженных оборотах.

На сегодняшний день многие автомобили среднего и премиального сегмента оснащаются моторами, система газораспределения которых может менять некоторые параметры открытия клапанов, благодаря чему происходит качественное наполнение и вентиляция цилиндров при разных оборотах коленвала.

Вот как должно выполняться газораспределение на разных режимах двигателя:

1. Холостой ход требует так называемых узких фаз. Это означает, что клапана позже начинают открываться, а момент закрытия у них наоборот – ранний. Одновременного открытого состояния в таком режиме нет (оба клапана не будут одновременно открытыми). Когда вращение коленвала имеет небольшое значение, при перекрытии фаз выхлопные газы могут попадать во впускной коллектор, а некоторый объем ВТС – в выпускной.
2. Максимально мощный режим – для него нужны широкие фазы. Это такой режим, при котором из-за высоких оборотов клапаны имеют меньшую продолжительность открытого положения. Это приводит к тому, что при спортивной езде наполняемость и проветривание цилиндров выполняется некачественно. Чтобы исправить ситуацию, фазы газораспределения нужно изменять, то есть клапаны нужно раньше открыть, а их продолжительность в таком положении должно увеличиться.

Разрабатывая конструкции моторов с изменяемыми фазами газораспределения, инженеры учитывают зависимость момента открытия клапанов от оборотов коленвала. Эти сложные системы позволяют делать мотор максимально универсальным для разных стилей езды. Благодаря такой разработке агрегат показывает широкий спектр возможностей:

• На низких оборотах мотор должен быть тягучим;
• При повышении оборотов он не должен терять мощность;
• Независимо от того, в каком режиме работает ДВС, экономия топлива, а вместе с ней и экологичность транспорта, должна иметь максимально возможный уровень для конкретного агрегата.

Все эти параметры можно изменять за счет замены конструкции распределительных валов. Однако и в этом случае КПД мотора будет иметь свой предел только на одном режиме. Как насчет того, чтобы мотор мог менять профиль самостоятельно в зависимости от количества оборотов коленчатого вала?

Изменяемые фазы газораспределения

Сама по себе идея менять время открытия клапанов в процессе работы силового агрегата не нова. Эта мысль периодически появлялась в умах инженеров, которые занимались разработкой еще паровых двигателей.

Так, одна из подобных разработок называлась редуктором Стивенсона. Механизм изменял время поступления пара в рабочий цилиндр. Режим назывался «отсечение пара». Когда срабатывал механизм, напор перенаправлялся в зависимости от конструкции транспортного средства. По этой причине старинные паровозы помимо дыма выбрасывали еще и клубы пара, когда состав стоял на месте.

Работа с изменением фаз газораспределения также велась с авиационными агрегатами. Так, экспериментальная модель мотора V-8 от компании Clerget-Blin мощностью в 200 лошадиных сил могла менять этот параметр за счет того, что конструкция механизма включала скользящий распредвал.

А на моторе Lycoming XR-7755 устанавливались распределительные валы, в которых имелись два разных кулачка на каждый клапан. Устройство имело механический привод, и активировался самим пилотом. Он мог выбрать один из двух вариантов в зависимости от того, ему нужно поднять самолет в небо, уйти от погони или просто выполнить экономичный перелет.

Что касается автомобилестроения, то над применением данной идеи начали задумываться инженеры еще в 20-х годах прошлого столетия. Причиной стало появление высокооборотистых моторов, которые устанавливались на спорткары. Повышение мощности в таких агрегатах имело определенный предел, хотя агрегат можно было раскрутить и сильнее. Чтобы транспортное средство имело большую мощность, вначале только увеличивали объем двигателя.

Первым, кто внедрил изменяющиеся газораспределительные фазы, был Lawrence Pomeroy, который работал главным конструктором автокомпании Vauxhall. Он создал мотор, в котором в газораспределительном механизме устанавливался особенный распредвал. Ряд его кулачков имел несколько комплектов профилей.

4.4-литровый H-Type в зависимости от оборотов коленчатого вала и нагрузки, которую тот испытывал, мог перемещать распредвал по продольной оси. Благодаря этому менялось время и высота открытия клапанов. Так как эта деталь имела ограничения в перемещении, управление фазами также имело свой предел.

Осуществлением подобной идеи занималась также компания Porsche. В 1959-м году появился патент на «колеблющиеся кулачки» распределительного вала. Эта разработка должна была менять высоту подъема клапанов, а вместе с тем и время их открытия. Разработка так и осталась на стадии проекта.

Самым первым работоспособным механизмом управления фазами газораспределения была разработка компании Fiat. Изобретение разработал Giovanni Torazza в конце 60-х гг. В механизме использовались гидротолкатели, которые меняли точку опоры толкателя клапана. Устройство работало в зависимости от того, какими были обороты двигателя и давление во впускном коллекторе.

Однако первым серийным автомобилем с изменяемыми фазами ГР был от Alfa Romeo. Модель Spider 1980-го года выпуска получила электронный механизм, меняющий фазы в зависимости от режимов работы ДВС.

Способы изменить продолжительность и ширину фаз газораспределения

На сегодняшний день существует несколько типов механизмов, меняющих момент, время и высоту открытия клапанов:

1. В самом простом исполнении это особенная муфта, которая установлена на привод газораспределительного механизма (фазовращатель). Управление осуществляется благодаря гидравлическому воздействию на исполняющий механизм, а контроль выполняет электроника. Когда двигатель работает на холостых оборотах, распредвал находится в изначальном положении. Как только обороты повышаются, электроника реагирует на этот параметр, и активирует гидравлику, которая немного проворачивает распределительный вал относительно первоначального положения. Благодаря этому клапаны открываются немного раньше, что дает возможность быстрее наполнить цилиндры свежей порцией ВТС.
2. Изменение профиля кулачков. Это разработка, которой пользуются автомобилисты уже достаточно давно. Если установить распредвал с нестандартными кулачками, можно заставить агрегат работать с большей эффективностью на повышенных оборотах. Однако такую модернизацию должен выполнять разбирающийся механик, что приводит к большим растратам. В моторах с системой VVTL-i распредвалы имеют несколько комплектов кулачков с разными профилями. Когда ДВС работает на холостых оборотах, свою функцию выполняют стандартные элементы. Как только показатель оборотов коленвала перемещается за отметку в 6 тысяч, распределительный вал немного смещается, благодаря чему в работу вступают другой комплект кулачков. Похожий процесс происходит, когда двигатель раскручивается до 8.5 тысяч, и начинает работать третий комплект кулачков, которые делает фазы еще шире.
3. Изменение высоты открытия клапана. Эта разработка позволяет одновременно изменять режимы работы ГРМ, а также исключить дроссельную заслонку. В таких механизмах нажатие на педаль акселератора активирует механическое устройство, которое влияет на силу открытия впускных клапанов. Такая система обеспечивает сокращение расхода топлива приблизительно на 15 процентов, а также повышение мощности агрегата на столько же. В более современных моторах используется не механический, а электромагнитный аналог. Достоинство второго варианта в том, что электроника способна более эффективно и плавно изменять режимы открытия клапанов. Высота подъема может быть практически идеальной, а время открытия может иметь более широкие пределы по сравнению с предыдущими модификациями. Такая разработка ради экономии горючего может даже отключить некоторые цилиндры (не открывать некоторые клапаны). Такие моторы активируют систему, когда машина останавливается, но ДВС не нужно выключать (например, на светофоре) или когда водитель замедляет авто при помощи ДВС.

Зачем менять фазы газораспределения

Применение механизмов, изменяющих фазы газораспределения позволяют:

• Более эффективно использовать ресурс силового агрегата на разных режимах его работы;
• Увеличить мощность без необходимости в установки нестандартного распредвала;
• Сделать транспортное средство более экономичным;
• Обеспечить эффективное наполнение и вентиляцию цилиндров на высоких оборотах;
• За счет более эффективного сгорания воздушно-топливной смеси повысить экологичность транспорта.

Так как разные режимы работы ДВС требуют своих параметров фаз газораспределения, с использованием механизмов изменения ФГР машина может соответствовать идеальным параметрам мощности, крутящего момента, экологичности и экономичности. Единственная проблема, которую пока ни один производитель не может решить, это дороговизна устройства. По сравнению со стандартным мотором аналог, оснащенный подобным механизмом, будет стоить почти в два раза больше.

Некоторые автомобилисты используют системы изменения фаз газораспределительного механизма, чтобы повысить мощность авто. Однако с помощью модифицированного ГРМ максимум из агрегата невозможно выжать. О других возможностях читайте здесь.

В завершение предлагаем небольшое наглядное пособие о работе системы изменения фаз газораспределения:

Система изменения фаз газораспределения на примере CVVT

Вопросы и ответы:

Что называется фазой газораспределения? Это момент, когда открывается/закрывается клапан (впускной или выпускной). Этот термин выражается в градусах поворота коленвала двигателя.

Что влияет на фазы газораспределения? На фазы газораспределения влияет режим работы двигателя. Если в ГРМ нет фазовращателя, то максимальный эффект достигается только в определенном диапазоне оборотов мотора.

Для чего нужна диаграмма фаз газораспределения? Эта диаграмма показывает, насколько эффективно происходит наполнение, сгорание и очистка в цилиндрах в конкретном диапазоне оборотов. Она позволяет грамотно подобрать фазы газораспределения.