Устройство и принцип работы системы CVVT

Любой 4-тактный двигатель внутреннего сгорания оснащается механизмом газораспределения. О том, как он работает, уже есть отдельный обзор. Если коротко, то данный механизм участвует в определении очередности срабатывания цилиндров (в какой момент и с какой продолжительностью подавать в цилиндры смесь топлива и воздуха).

В ГРМ используются распределительные валы, форма кулачков которых остается постоянной. Этот параметр рассчитывается на заводе инженерами. Он влияет на момент, в который откроется соответствующий клапан. На данный процесс не влияет ни число оборотов ДВС, ни нагрузка на него, ни состав ВТС. В зависимости от конструкции данной детали газораспределение может быть настроенным на спортивный режим езды (когда впускные/выпускные клапаны открываются на другую высоту и имеет отличающийся от стандартного момент срабатывания) или на размеренный. Подробней о модификациях распределительных валов читайте здесь.

Самый оптимальный момент образования смеси воздуха и бензина/газа (в дизелях ВТС формируется непосредственно в цилиндре) в таких моторах напрямую зависит от конструкции кулачков. И это является ключевым недостатком подобных механизмов. В процессе движения автомобиля мотор работает на разных режимах, то смесеобразование не всегда происходит эффективно. Эта особенность моторов побудила инженеров разработать фазовращатель. Рассмотрим, что это за механизм CVVT, какой у него принцип работы, его устройство, и распространенные неисправности.

Что такое двигатели с муфтой CVVT

Если коротко, то мотор, оснащенный механизмом cvvt, это силовой агрегат, в котором фазы ГРМ меняются в зависимости от нагрузок на мотор и частотой вращения коленвала. Данная система стала набирать популярность еще в 90-х гг. прошлого столетия. Газораспределительный механизм все большего числа ДВС получал дополнительное устройство, которое корректировало угол положения распредвала, и благодаря этому могло обеспечивать запаздывание/опережение срабатывания фаз впуска/выпуска.

Первая разработка подобного механизма тестировалась на моделях Alfa Romeo 1983 года выпуска. Впоследствии многие ведущие автопроизводители переняли эту идею. Каждый из них применял разный привод фазовращателя. Это могла быть механическая модификация, аналог с гидравлическим приводом, электрически управляемый вариант или пневматический аналог.

Обычно система cvvt используется на ДВС из семейства DOHC (в них механизм газораспределения имеет два распределительных вала, каждый из которых предназначен для своей группы клапанов – впускной или выпускной систем). В зависимости от модификации привода фазовращатель корректирует работу либо только впускной, либо выпускной клапанной группы, либо для обеих групп.

Устройство системы CVVT

Автопроизводители уже разработали несколько модификаций фазовращателей. Они отличаются устройством и приводом.

Самыми распространенными являются варианты, которые работают по принципу гидрокольца, изменяющего степень натяжения цепи ГРМ (дополнительно о том, какие модели авто оснащены цепью газораспределительного механизма вместо ремня, читайте здесь).

Система CVVT обеспечивает непрерывное изменение фаз ГРМ. Благодаря этому камера цилиндра должным образом наполняется свежей порцией смеси воздуха и топлива, независимо от оборотов коленвала. Конструкция некоторых модификаций подразумевает работу только впускной клапанной группы, но также существуют варианты, которые воздействуют также и на выпускную клапанную группу.

Гидравлический тип фазовращателей имеет следующее устройство:

• Управляющий клапан-соленоид;
• Масляный фильтр;
• Гидравлическая муфта (или исполнительный механизм, который получает сигнал от эбу).

Чтобы обеспечивалась максимальная точность работы системы, каждый ее элемент установлен в ГБЦ. Фильтр в системе нужен, так как механизм работает за счет напора масла. Его нужно периодически чистить или менять в рамках планового технического обслуживания.

1. Гидравлическая муфта; 2. Управляющий клапан; 3. Фильтр.

Гидавлическая муфта может устанавливаться не только на впускную клапанную группу, но и на выпускную. Во втором случае система имеет название DVVT (Dual – двойной). Дополнительно в ней устанавливаются следующие датчики:

• ДПРВ (фиксирует каждый оборот распредвала/ов, и передает импульс на ЭБУ);
• ДПКВ (фиксирует обороты коленвала, и тоже передает импульсы на ЭБУ). Об устройстве, разных модификациях и принципе работы данного датчика рассказывается отдельно.

На основании сигналов, поступающих от данных сенсоров, микропроцессор определяет, каким должно быть давление, чтобы распредвал немного сменил угол поворота относительно стандартного положения. Далее импульс идет на клапан-соленоид, через который масло подается в гидромуфту. Некоторые модификации гидроколец имеют свой масляный насос, который регулирует давление в магистрали. Такая компоновка систем более плавную коррекцию фаз.

В качестве альтернативы рассмотренной выше системы некоторые автопроизводители оснащают силовые агрегаты своих автомобилей более дешевой модификацией фазовращателей с упрощенной конструкцией. Она работает за счет муфты с гидравлическим управлением. Такая модификация имеет следующее устройство:

• Гидроуправляемая муфта;
• Датчик Холла (о его работе читайте здесь). Он устанавливается на распредвалы. Их количество зависит от модели системы;
• Гидромуфты обоих распредвалов;
• Ротор, устанавливаемый в каждой муфте;
• Электогидравлические распределители для каждого распредвала.

Такая модификация работает следующим образом. Привод фазовращателя заключен в корпус. Он состоит из внутренней части – закручивающегося ротора, который закреплен на распределительном валу. Наружная часть вращается за счет цепи, а в некоторых моделях агрегатов – ремня ГРМ. Приводной элемент соединен с коленвалом. Между этими частями имеется полость, заполненная маслом.

Поворот ротора обеспечивается за счет напора в системе смазки. Благодаря этому происходит опережение или запаздывание работы газораспределения. В этой системе нет индивидуального масляного насоса. Подача масла обеспечивается основным масляным нагнетателем. Когда обороты мотора небольшие, напор в системе меньше, поэтому впускные клапаны открываются позже. Выпуск также происходит позже. При повышении оборотов давление в системе смазки повышается, и ротор немного проворачивается, благодаря чему выпуск происходит раньше (образуется перекрытие клапанов). Такт впуска тоже начинается раньше, чем на холостых оборотах, когда напор в системе слабый.

При запуске мотора, а в некоторых моделях авто во время, когда ДВС работает в режиме холостого хода, ротор гидромуфты блокируется, и имеет жесткую сцепку с распредвалом. Чтобы в момент старта силового агрегата цилиндры максимально эффективно наполнялись, валы ГРМ настроены режим низких оборотов ДВС. Когда число оборотов коленвала повышается, начинает работать фазовращатель, благодаря чему корректируется фаза всех цилиндров одновременно.

Во многих модификациях гидромуфт блокировка ротора осуществляется за счет отсутствия масла в рабочей полости. Как только масло попадает между частями, под давлением они отсоединяются друг от друга. Существую моторы, в которых устанавливается плунжерная пара, соединяющая/разъединяющая эти части, блокируя ротор.

Муфта CVVT

В конструкции гидромуфты cvvt, или фазовращателя, имеется шестеренка с острыми зубьями, которая фиксируется на корпусе механизма. На нее надевается приводной ремень (цепь) ГРМ. Внутри этот механизма шестерня связана с ротором, жестко прикрепленным на валу газораспределительного механизма. Между этими элементами имеются полости, которые пока агрегат работает, заполняются маслом. От напора смазки в магистрали происходит разъединение элементов, и небольшое смещение угла вращения распредвала.

Устройство муфты состоит из:

• Ротора;
• Статора;
• Стопорного штифта.

Третья деталь нужна, чтобы фазовращатель позволял мотору переходить в аварийный режим при необходимости. Такое бывает, например, когда давление масла сильно падает. В этот момент штифт перемещается в паз ведущей звездочки и ротора. Это отверстие соответствует среднему положению распредвала. В таком режиме эффективность смесеобразования будет наблюдаться только на средних оборотах.

Как работает управляющий клапан-соленоид VVT

В системе cvvt клапан-соленоид нужен для того, чтобы контролировался напор смазки, поступающей в рабочую полость фазовращателя. В устройстве механизма имеется:

• Плунжер;
• Разъем;
• Пружина;
• Корпус;
• Золотник;
• Канала для подачи и отвода масла;
• Обмотка.

По сути, это электромагнитный клапан. Он управляется микропроцессором бортовой системы авто. От ЭБУ поступают импульсы, от которых срабатывает электромагнит. Золотник перемещается через плунжер. Направление подачи масла (идет по соответствующему каналу) определяется положением золотника.

Принцип работы

Чтобы понять, в чем заключается работа фазовращателя, разберемся с самим процессом газораспределения, когда меняется режим функционирования мотора. Если условно их разделить, то таких режимов будет пять:

1. Холостые обороты. В этом режиме привод ГРМ и кривошипно-шатунный механизм имеют минимальные обороты. Чтобы во впускной тракт не поступало большое количество выхлопных газов, требуется изменить угол задержки в сторону более позднего открывания впускного клапана. Благодаря такой корректировке двигатель будет работать более стабильно, его выхлоп будет минимально токсичным, и агрегат не будет расходовать топливо, больше положенного.
2. Малые нагрузки. На таком режиме перекрытие клапанов минимальное. Эффект тот же: во впускную систему (подробней о ней читайте здесь) попадает минимальное количество отработанных газов, и работа мотора стабилизируется.
3. Средние нагрузки. Чтобы агрегат работал стабильно в этом режиме, необходимо обеспечить большее перекрытие клапанов. Это будет позволять минимизировать насосную потерю. Такая корректировка обеспечивает поступление во впускной тракт большего количества выхлопных газов. Это необходимо для небольшого значения температуры среды в цилиндре (меньше кислорода в составе ВТС). Кстати, для этой цели современный силовой агрегат может оснащаться системой рециркуляции (о ней подробно читайте отдельно). Благодаря этому снижается содержание азотистых оксидов.
4. Высокие нагрузки на малых оборотах. На этом этапе впускные клапаны должны закрываться раньше. Благодаря этому повышается величина крутящего момента. Перекрытие клапанных групп должно вообще отсутствовать или быть минимальным. Это будет позволять мотору четче реагировать на перемещение заслонки дросселя. Когда машина движется в динамичном потоке, данный фактор для двигателя имеет большое значение.
5. Высокие нагрузки на повышенных оборотах коленвала. В таком случае должна сниматься максимальная мощность ДВС. Для этого важно, чтобы перекрытие клапанов происходило возле ВМТ поршня. Причина этого в том, что максимальная мощность нуждается в насколько возможно большом количестве ВТС за короткий период, пока впускные клапаны открыты.

В процессе функционирования ДВС распределительный вал должен обеспечивать определенный показатель перекрытия клапанов (когда одновременно открыты и впускные, и выпускные отверстия работающего цилиндра на такте впуска). Однако для стабильности процесса сгорания ВТС, эффективности наполнения цилиндров, оптимального расхода топлива и минимально вредного выброса требуется, чтобы этот параметр не был стандартным, а менялся. Так в режиме ХХ, перекрытие клапанов не требуется, потому что в этом случае некоторое количество топлива будет несгоревшим попадать в выпускной тракт, от чего со временем пострадает катализатор (подробно о нем рассказывается здесь).

Но с увеличением оборотов процесс сгорания воздушно-топливной смеси наблюдается повышение температуры в цилиндре (больше кислорода в полости). Чтобы этот эффект не приводил к детонации мотора, объем ВТС должен оставаться прежним, но количество кислорода должно немного снизиться. Для этого система позволяет некоторое время клапанам обеих групп оставаться открытыми, чтобы частично отработавшие газы поступает в систему впуска.

Как раз эту работу и выполняет фазорегулятор. Механизм CVVT работает в двух режимах: опережение и запаздывание. Рассмотрим, в чем их особенность.

Опережение

Так как конструкция муфты имеет два канала, по которым подается масло, то и режимы зависят от того, какое количество масла находится в каждой полости. Когда запускается мотор, масляный нагнетатель начинает создавать давление в системе смазки. Вещество поступает по каналам к электромагнитному клапану. Положением заслонки клапана управляется импульсами от ЭБУ.

Для изменения угла поворота распредвала в сторону опережения фазы, заслонка клапана открывает канал, по которому масло поступает в камеру гидромуфты, отвечающую за опережение. В этот же момент для устранения противодавления масло откачивается из второй камеры.

Запаздывание

При необходимости (напомним, что это определяет микропроцессор бортовой системы авто на основе запрограммированных алгоритмов) открыть впускные клапаны немного позже, происходит подобный процесс. Только на этот раз масло откачивается из камеры, отвечающей за опережение, и закачивается во вторую камеру гидромуфты по предназначенным для нее каналам.

В первом случае ротор гидромуфты проворачивается против вращения коленчатого вала. Во втором случае действие происходит по ходу вращения коленвала.

Логика работы CVVT

Особенность работы системы CVVT заключается в том, чтобы обеспечить максимально эффективное наполнение цилиндров свежей порцией воздушно-топливной смеси, независимо от оборотов коленчатого вала и нагрузок на ДВС. Так как существует несколько модификаций подобных фазовращателей, то и логика их работы будет несколько отличаться. Однако общий принцип остается неизменным.

Условно весь процесс делится на три режима:

1. Режим холостого хода. На этом этапе электроника заставляет проворачиваться привод фазовращателя так, чтобы клапаны впускной системы открывались позже. Это необходимо, чтобы мотор работал более мягко.
2. Средний показатель оборотов. На этом режиме необходимо, чтобы распредвал занял среднее положение. Это обеспечивает меньший расход топлива по сравнению с обычными моторами на этом режиме. В данном случае наблюдается не только максимально эффективная отдача от ДВС, но и его выброс будет не такой вредный.
3. Режим высоких и максимальных оборотов. В этом случае должна сниматься максимальная мощность силового агрегата. Чтобы это обеспечить, система проворачивает распределительный вал в сторону более раннего открытия впускных клапанов. На таком режиме впуск должен срабатывать раньше и длиться дольше, чтобы за критически малый промежуток времени (он обусловлен высокой частотой вращения коленвала) цилиндры продолжали получать необходимый объем ВТС.

Основные неисправности

Чтобы перечислить все поломки, связанные с фазовращателем, необходимо рассматривать конкретную модификацию системы. Но прежде стоит упомянуть, что некоторые симптомы выхода из строя CVVT идентичны другим неисправностям силового агрегата и связанных с ним систем, например, зажигания и подачи топлива. По этой причине, прежде чем приступать к ремонту фазовращателя, необходимо убедиться, что эти системы исправны.

Рассмотрим самые распространенные неисправности системы CVVT.

Датчик фаз

В системах, изменяющих фазы газораспределения, применяются датчики фаз. Чаще всего используется два датчика: один для впускного, а другой – для выпускного распредвала. Функция ДФ в том, чтобы определять положение распредвалов на всех режимах работы мотора. С этими сенсорами синхронизируется не только топливная система (ЭБУ определяет, в какой момент организовать распыление топлива), но и зажигание (распределитель подает высоковольтный импульс в конкретный цилиндр для воспламенения ВТС).

Поломка датчика фаз приводит к увеличению прожорливости двигателя. Причина этому в том, что ЭБУ не получает сигнал, когда первый цилиндр начнет выполнять конкретный такт. В этом случае электроника инициирует парафазный впрыск. Это когда момент подачи топлива определяется импульсами от ДПКВ. На этом режиме форсунки срабатывают в два раза чаще.

Благодаря такому режиму мотор будет продолжать работать. Только образование воздушно-топливной смеси происходит не в самый эффективный момент. Из-за этого мощность агрегата падает, и повышается расход топлива (насколько сильно, это зависит от модели авто). Вот по каким признакам можно определить поломку датчика фаз:

• Увеличился расход топлива;
• Повысилась токсичность отработавших газов (если катализатор перестает справляться со своей функцией, этот симптом будет сопровождаться характерным запахом из выхлопной трубы – запахом несгоревшего топлива);
• Снизилась динамика ДВС;
• Наблюдается нестабильная работа силового агрегата (больше заметно на режиме ХХ);
• На приборке загорелась лампочка аварийного режима мотора;
• Затрудненный пуск двигателя (на протяжении нескольких секунд работы стартера ЭБУ не получает от ДФ импульса, после чего переходит в режим парафазного впрыска);
• Наблюдается нарушение работы системы самодиагностики мотора (в зависимости от модели авто это происходит в момент запуска ДВС, на что уходит до 10сек.);
• Если машина оборудована ГБО 4-го поколения и выше, перебои в работе агрегата наблюдаются более остро. Такое происходит из-за того, что блок управления автомобиля и блок ГБО работают несогласованно.

ДФ в основном выходит из строя из-за естественного износа, а также по причине высоких температур и постоянных вибраций. В остальном датчик стабильный, так как он работает на основе эффекта Холла.

Код ошибки при потере синхронизации распредвалов

В процессе диагностики бортовой системы оборудование может фиксировать данную ошибку (например, в бортовой системе автомобилей Renault она соответствует коду DF080). Она означает нарушение синхронизации смещения угла поворота впускного распредвала. Это когда система сильнее проворачивает его, чем указал ЭБУ.

Симптомами данной ошибки являются:

1. Аварийный сигнал мотора на приборке;
2. Слишком высокие или плавающие холостые обороты;
3. Двигатель трудно запускается;
4. Неустойчиво работает ДВС;
5. На определенных режимах агрегат глохнет;
6. Из мотора слышны стуки;
7. Расход горючего повышается;
8. Выхлоп не соответствует экологическим стандартам.

Ошибка Р0011 может возникнуть из-за грязного моторного масла (не вовремя производится замена смазки) или его низкого уровня. Также подобный код появляется при клине фазовращателя в одном положении. Стоит учесть, что электроника разных моделей авто бывает разной, поэтому и код данной ошибки тоже может отличаться. Во многих моделях он имеет символы Р0011 (Р0016).

Электромагнитный клапан

Чаще всего в этом механизме наблюдается окисление контактов. Эта неисправность устраняется проверкой и зачисткой контактной фишки устройства. Реже встречается клин клапана в конкретном положении или он может не срабатывать при подаче напряжения. Если на фазовращатель установлен клапан от другой модификации системы, он тоже может не работать.

Чтобы проверить электромагнитный клапан, его демонтируют. Далее проверяется, свободно ли перемещается его шток. Для этого подсоединяем два провода к контактам клапана и краткосрочно (не дольше одной-двух секунд, чтобы обмотка клапана не сгорела) замыкаем его на клеммах аккумуляторной батареи. При исправном клапане будет слышен щелчок. В противном случае деталь нужно заменить.

Давление в системе смазки

Хотя данная поломка и не касается исправности самого фазовращателя, от этого фактора зависит эффективная работа системы. Если давление в системе смазки будет слабым, ротор будет в недостаточной степени проворачивать распредвал. Обычно при соблюдении регламента замены смазки такое встречается редко. Подробно о том, когда менять масло в моторе, читайте отдельно.

Фазорегулятор

Помимо неисправности электромагнитного клапана, сам фазовращатель может заклинить в одном из крайних положений. Конечно, с такой неисправностью автомобиль можно продолжать эксплуатировать. Только нужно помнить, что мотор с застывшим в одном положении фазорегулятором будет работать так же, как если бы он не был оснащен системой изменения фаз газораспределения.

Вот некоторые признаки того, что фазорегулятор полностью или частично сломался:

1. ГРМ работает с посторонними шумами. Как отмечают некоторые автомобилисты, столкнувшиеся с подобной неисправностью, от фазовращателя доносятся звуки, напоминающие работу дизельного агрегата.
2. В зависимости от положения распределительного вала мотор будет иметь нестабильные обороты (холостые, средние или высокие). Выходная мощность в таком случае будет ощутимо ниже. Такой двигатель может хорошо работать в режиме ХХ, а при разгоне терять в динамике, и наоборот: в спортивном режиме езды быть стабильным, но когда педаль газа отпускается, он начинает «захлебываться».
3. Так как фазы газораспределения не подстраиваются под режим работы силового агрегата, топливо из бака будет быстрее уходить (в некоторых моделях авто это не так ощутимо наблюдается).
4. Выхлопные газы становятся более токсичными, что сопровождается резким запахом несгоревшего топлива.
5. При прогреве двигателя наблюдаются плавающие обороты. В этот момент фазовращатель может издавать более сильный треск.
6. Нарушение согласованности распределительных валов, что сопровождается соответствующей ошибкой, которую можно увидеть во время компьютерной диагностики (о том, как выполняется данная процедура, читайте в другом обзоре).

Сам фазорегулятор может выйти из строя из-за естественного износа лопастей. Обычно такое происходит спустя 100-200 тыс. Если водитель игнорирует рекомендации по замене масла (старая смазка теряет свою текучесть и содержит больше мелкой металлической стружки), то поломка ротора гидромуфты может произойти намного раньше.

Также из-за износа металлических деталей поворотного механизма при поступлении сигнала на исполнительное устройство распредвал может повернуться больше, чем того требует режим работы мотора. На эффективность фазовращателя также влияют неполадки с датчиками положения коленчатого и распределительного валов. Из-за их некорректных сигналов ЭБУ может неправильно подстроить газораспределительный механизм под режим работы двигателя.

Еще реже происходят сбои в работе электроники бортовой системы авто. Из-за программных сбоев в ЭБУ он может подавать неверные импульсы или просто начинает фиксировать ошибки, хотя самих неисправностей может и не быть.

Обслуживание

Так как фазовращатель обеспечивает тонкую подстройку работы мотора, то и от исправности всех его элементов зависит эффективность функционирования силового агрегата. По этой причине механизм нуждается в периодическом обслуживании. Самый первый элемент, который заслуживает внимания, это масляный фильтр (не основной, а тот, который очищает масло, идущее на гидромуфту). В среднем через каждые 30 000 км пробега его нужно чистить или менять на новый.

Хотя с данной процедурой (очисткой) сможет справиться любой автомобилист, в некоторых автомобилях этот элемент сложно найти. Зачастую он устанавливается в магистрали системы смазки мотора на промежутке между маслонасосом и электромагнитным клапаном. Прежде чем демонтировать фильтр, рекомендуем вначале посмотреть в инструкции, как он выглядит. Помимо чистки элемента, необходимо убедиться в том, что его сеточка и корпус не поврежден. Проводя работы важно быть аккуратным, так как сам фильтр достаточно хрупкий.

Преимущества и недостатки

У многих автомобилистов возникает вопрос о возможности отключения системы изменения фаз газораспределения. Конечно, мастер на СТО сможет легко отключить фазовращатель, но подписаться под этим решением никто не сможет, так как на 100 процентов можно быть уверенным, что в этом случае мотор станет работать нестабильно. О гарантиях на исправность силового агрегата при дальнейшей эксплуатации без фазовращателя не может быть и речи.

Итак, к достоинствам системы CVVT относятся такие факторы:

1. Она обеспечивает максимально эффективное наполнение цилиндров на любых режимах работы ДВС;
2. То же касается и эффективности сгорания воздушно-топливной смеси и снятия максимальной мощности при разных оборотах и нагрузках на двигатель;
3. Токсичность выхлопных газов снижается, так как на разных режимах ВТС сгорает полностью;
4. В зависимости от типа двигателя может наблюдаться приличная экономия топлива, несмотря на большие объемы агрегата;
5. Автомобиль всегда остается динамичным, а на повышенных оборотах наблюдается увеличение мощности и крутящего момента.

Несмотря на то, что система CVVT предназначена для стабилизации работы мотора при разных нагрузках и оборотах, она не лишена нескольких недостатков. Во-первых, по сравнению с классическим мотором с одним или двумя распредвалами в ГРМ, данная система это дополнительное количество деталей. Это значит, что в машине добавляется еще один узел, который требует внимания при обслуживании транспорта и дополнительная потенциальная зона поломок.

Во-вторых, ремонт или замена фазовращателя должна проводиться квалифицированным специалистом. В-третьих, так как фазовращатель за счет электроники обеспечивает более тонкую настройку работы силового агрегата, его стоимость высокая. И в завершение предлагаем посмотреть небольшое видео том, зачем нужен фазовращатель в современном моторе, и как он работает:

Система изменения фаз газораспределения на примере CVVT

Вопросы и ответы:

Что такое CVVT? Это система, изменяющая фазы газораспределения (Continuous Variable Valve Timing). Она корректирует время открытия впускных и выпускных клапанов в зависимости от скорости автомобиля.

Что такое муфта CVVT? Это ключевой исполнительный механизм системы изменения фаз газораспределения. Еще его называют фазовращателем. Он смещает момент открытия клапанов.

Что такое Dual CVVT? Это модификация системы изменения фаз газораспределения. Dual – двойной. Значит в таком ГРМ устанавливается два фазовращателя (один для впускных, другой для выпускных клапанов).