Статор, ротор и моторное масло: как работает система изменения фаз газораспределения

Ретрограды частенько вздыхают: «Да уж, современные двигатели совсем не те, что были раньше». И уверены, что в погоне за мощностью, экономичностью и экологичностью они усложнились настолько сильно, что риск поломки вырос многократно, а возможности ремонта в гаражных условиях сократились до мизера. Однако так ли все однозначно плохо на самом деле? Сегодня мы расскажем о системе, которая одной из первых встала на пути усложнения, но открыла перед автомобилестроителями широчайшие возможности повышения эффективности ДВС. Речь идет о системе изменения фаз газораспределения.

В отношении истории VVT (Variable Valve Timing – регулируемое газораспределение), как и множества других автомобильных систем, нет единого ретроспективного представления. За точку отсчета принимаются различные временные отрезки и технологические устройства. Но с достаточной степенью достоверности мы можем сказать, что ее первые прообразы в автомобилестроении появились более ста лет назад, в начале 1900-х гг. Хотя на паровых двигателях различные механизмы изменения продолжительности открытия клапанов применялись еще задолго до этого. 

В 1903 году была выпущена модель Cadillac Runabout/Tonneau, в двигателе которой использовался впускной клапан с переменной высотой подъема конструкции Алансона Партриджа Браша. Заявка на соответствующий патент была подана 3 августа 1903 года и удовлетворена выдачей патента №767,794 от 16 августа 1904 г. – еще несколько важных дат в копилку любителей автомобильной истории. Так что исторические корни у этой «современной» технологии глубокие, и корить за нее уже некого: все, кто придумал ее принцип, уже давно в земле сырой.

По-настоящему плотно VVT вошла в обиход и начала активно развиваться лишь во второй половине 1970-х – начале 1980-х годов, когда Alfa Romeo и Nissan внедрили ее в свои серийные автомобили. А первой оснащенной ею массовой моделью оказался Alfa Romeo Spider 2000, вышедший в 1980 году. 

На этом этапе к изысканиям присоединилась Honda. Ее инженеры значительно усовершенствовали технологию, представив хорошо сейчас известную фирменную (и почти легендарную) систему изменения фаз газораспределения и подъема клапанов с электронным управлением – Variable Valve Timing & Lift Electronic Control (VTEC). После этого стало ясно, что от VVT уже никуда не деться, и ее победное шествие в мире автопрома продолжилось ударными темпами.

Сейчас фактически все автопроизводители используют эту технологию в том или ином виде. И хотя работают предлагаемые ими системы немного по-разному, цели у всех идентичны. Вот лишь несколько примеров:

Subaru – система активного управления клапанами (AVCS).

Nissan – система непрерывного изменения фаз газораспределения (CVVTCS).

Hyundai, Kia и Volvo – система непрерывного изменения фаз газораспределения (CVVT).

Ford – система независимого изменения фаз газораспределения Ti-VCT.

BMW – системы Valvetronic (управляет высотой поднятия впускного клапана) и VANOS (регулирует моменты открытия и закрытия клапана).

Так что же собой представляет современная система изменения фаз газораспределения? В общем смысле это как бы совокупность двух механизмов: один регулирует время открытия и закрытия клапанов, второй – высоту их поднятия. С точки зрения маркетингового позиционирования и представления для конечных пользователей они могут быть дифференцированы на два товарных наименования (как в случае BMW) либо объединены в одно (например, как у Honda). Но мы не станем фокусироваться на маркетинговых заигрываниях с публикой и обратимся к технологической конкретике. Правда, без избыточных технических подробностей.

В основе системы лежит так называемый фазорегулятор, он же – фазовращатель (звучит немного неправильно, потому что фазы он не вращает, а именно регулирует, но что поделать – сегодня так тоже говорят). Это устройство состоит из двух ключевых элементов: находящегося внутри ротора, жестко соединенного с распределительным валом, и внешнего статора (корпуса), связанного с приводящей ГРМ цепью или ремнем. 

При условно нормальных режимах движения эта пара вращается с одинаковой скоростью, как в двигателях с фиксированным газораспределением. Однако под давлением масла, которое подает соленоидный клапан по сигналу от блока управления в специальные внутренние полости фазорегулятора, ротор и статор меняют скорость вращения друг относительно друга. За счет этого и происходит изменение фаз газораспределения – распределительный вал получает возможность открывать и закрывать клапаны раньше или позже в зависимости от частоты вращения двигателя.

Все это дает следующее важное преимущество. На низких оборотах, когда двигателю не требуется много воздуха и топлива для поддержания работы поршней, VVT закрывает клапаны раньше, чтобы уменьшить объем всасываемого воздуха и, соответственно, потери на всасывание и эмиссию.

С другой стороны, позднее закрытие впускных клапанов приводит к тому, что поршень фактически выталкивает часть топливно-воздушной смеси обратно в коллектор до момента воспламенения. Это еще один способ контролировать количество смеси, попадающей в камеру сгорания во время воспламенения, и тем самым снижать уровень выбросов. 

Кроме того, системы изменения фаз газораспределения также могут раньше открывать впускные клапаны, в результате чего выхлопные газы попадают обратно в коллектор. Это помогает контролировать температуру в камере сгорания, что еще больше снижает уровень выбросов. То есть, отчасти эта система способна заменить EGR там, где нет физического клапана рециркуляции отработавших газов.

А за счет использования распределительных валов с регулируемым подъемом клапанов (применяются кулачки с разным профилем; нередко такие технологии называют «системами с изменяемым/переменным профилем кулачков») посредством соответствующих сигналов ЭБУ можно на низких оборотах снижать расход топлива и воздуха, а на высоких – увеличивать их подачу. То есть, оптимизировать потоки и достигать различные эксплуатационные характеристики при разных оборотах и нагрузках. 

Естественно, это описание функционирования системы сделано, что называется, широкими мазками. В реальности существует множество нюансов, которые отличают принципиальные схемы различных автопроизводителей и позволяют добиваться тех или иных результатов. Но в общем виде картина выглядит именно так. 

Остается добавить только то, что системы VVT могут стоять лишь на одном валу, регулируя фазы газораспределения впускного (только впускного!) вала. Либо на обоих валах (Dual VVT или DVVT), и тогда регулировка осуществляется и на впускном, и на выпускном валах.

В некоторых двигателях, главным образом – с высокой степенью сжатия, позднее закрытие впускных клапанов позволяет поршням сжимать топливно-воздушную смесь перед воспламенением в течение более длительного времени. Эта стратегия «позднего закрытия впускного клапана» сегодня взята на вооружение многими автомобилестроителями при проектировании турбомоторов, поскольку она способствует снижению эффективной степени сжатия. Это помогает предотвратить детонацию и уменьшить октановое число применяемого топлива, тем самым повышая топливную экономичность и снижая эксплуатационные затраты автовладельца.

В свою очередь в гибридах или в тех автомобилях, где предусмотрена деактивация цилиндров, при определенных условиях работы можно реализовать алгоритм деактивации открытия выпускного клапана. Это предотвращает попадание выхлопных газов в цилиндр, фактически превращающих его в «воздушный насос», что снижает насосные потери и повышает эффективность.

Кроме того, в двигателях с турбонаддувом или с механическим нагнетателем фазы газораспределения впускных и выпускных клапанов могут быть оптимизированы для совместной работы с этими системами принудительного нагнетания. Это обеспечивает оптимизацию управления подачей топливовоздушной смеси и продувки цилиндров, повышая производительность двигателя.

Исходя из всего выше изложенного можем заключить, что одно из основных преимуществ, которое обеспечивает система VVT, заключается в способности двигателей выдавать с ней больше мощности и крутящего момента. Если точнее, она увеличивает крутящий момент на низких оборотах и мощность на высоких.

Еще одно чрезвычайно важное преимущество – топливная экономичность. За счет регулировки фаз газораспределения на впуске и выпуске и синхронизации работы клапанов для более эффективного сгорания топлива VVT снижает насосные потери, повышает тепловой КПД и улучшает топливную экономичность. Это особенно сильно проявляется при малых нагрузках и в крейсерском режиме движения.

Прямым закономерным следствием использования системы изменения фаз газораспределения становится и снижение количества несгоревшего топлива, а также вредных выбросов. Среди которых – угарный газ и оксиды азота.

Еще одним немаловажным результатом применения VVT является более плавная и тихая работа двигателя. Оптимизируя синхронизацию работы клапанов, система способствует снижению вибрации и повышению стабильности на холостом ходу и при низких оборотах. В итоге срок службы и безаварийного функционирования ДВС значительно увеличивается.

К тому же стоит понимать, что моторы с VVT обеспечивают более плавное ускорение, лучшую реакцию педали акселератора на нажатие и, как уже было сказано, более высокий акустический комфорт и сокращение вибраций. А это значит, что впечатления автовладельца от вождения существенно улучшаются.

Но и на этом солнце передовых автомобильных технологий есть свои пятна. Как мы уже неоднократно повторили и как вы сами наверняка смогли убедиться, система изменения фаз газораспределения – довольно непростая штучка. Она состоит из механических, гидравлических и электронных компонентов, что делает ее более сложной по сравнению с традиционными двигателями с фиксированными фазами газораспределения.

Соответственно, технологическая и конструктивная сложность повышает возможность возникновения неисправностей и трудность их диагностики. Это напрямую отражается на стоимости обслуживания и ремонта: такие системы требуют участия высококвалифицированных специалистов, большего количества и лучшего качества запчастей и расходных материалов, чем у обычных систем.

Да и первоначальная цена двигателя с VVT, несомненно, выше, чем без нее.

Кроме того, всегда стоит помнить, что наличие системы изменения фаз газораспределения существенно повышает требования к моторному маслу. Оно должно быть безупречно чистым и точно соответствовать спецификации автопроизводителя. VVT очень сильно зависят от давления масла, благодаря которому работают фазорегуляторы. Шлам, лаковые отложения, нагар и прочие загрязнения приводят к закупорке каналов соленоидов и неминуемым сбоям, которые самым негативным образом отразятся на исправности не только VVT, но и других компонентов и узлов двигателя.

Ну а низкий уровень моторного масла или его несоответствующая регламенту вязкость приведут к зависаниям системы и снижению ее производительности. В этом тоже нет ничего хорошего.

Подводя итог, хочется спросить: удалось ли нам убедить вас, что система изменения фаз газораспределения представляет собой большой шаг вперед в развитии технологий двигателестроения? Ведь именно благодаря ей некоторые современные гражданские автомобили срываются с места быстрее спорткаров XX века, а массивные внедорожники расходуют топлива не больше, чем легковушки наших отцов. Да, за эти прелести пришлось расплатиться значительным усложнением системы и повышением вероятности возникновения каких-либо сбоев. Но если хорошенько подумать, оно того, пожалуй, стоит. Для удовольствием покататься с ветерком, не сильно разоряясь на горючке, это не очень высокая цена.