Когда мы говорим о качестве работы двигателя, мы имеем в виду его эффективность, мощность, крутящий момент, экономичность. На эти параметры влияет много факторов, включая фазы газораспределения, то есть оперативное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов.
В стандартном четырехтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны задействуются при помощи кулачков распределительного вала. Их профиль определяет крутящий момент и продолжительность открытия (ширину фаз), а также ход клапанов.
Менять фазы в большинстве современных двигателей невозможно. Более того, они не эффективны. Поведение газов (топливной смеси и выхлопных газов) в цилиндре, а также во впускном и выпускном отверстиях варьируется в зависимости от режимов работы двигателя. Скорость потока непостоянна, имеют место колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, напротив, паразитарным заторным явлениям. Поэтому скорость и эффективность заполнения цилиндров отличается в зависимости от выбранного режима работы двигателя.
Для работы на холостом ходу, к примеру, хорошо подходят узкие фазы газораспределения с запоздалым открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты). Почему? Потому что таким образом можно исключить выброс выхлопных газов во впускной коллектор, а также выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.
Ситуация сильно меняется при работе на высоких мощностях. С увеличением оборотов время открытия клапанов естественным образом уменьшается, но для достижения высокого крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо пропустить гораздо больший объем газов, чем на холостом ходу. Как найти выход из столь сложной ситуации? Откройте клапаны пораньше и увеличьте продолжительность их открытия, другими словами, сделайте фазы как можно более широкими. В то же время фаза перекрытия обычно тем шире, чем выше частота вращения.
Поэтому конструкторам приходится согласовать целый ряд несовместимых требований и идти на уступки при разработке и доводке двигателей. При одинаковых фиксированных фазах двигатель должен иметь хорошую тягу на низких и средних оборотах и приемлемую мощность на высоких скоростях. А еще стабильно работать на холостом ходу, быть максимально энергоэффективным и экологически чистым. Та еще задача!
Но для конструкторов решить ее не составит труда они способны изменять характеристики двигателя до неузнаваемости, сдвигая и изменяя ширину фаз газораспределения. Нужно увеличить крутящий момент? Хорошо. А может быть мощность? Легко. Сократить расход? Не вопрос. Однако иногда оказывается, что ради улучшения одних характеристик приходится отказываться от других.
Но что, если механизм газораспределения научат приспосабливаться к различным режимам работы двигателя? К счастью, есть множество способов сделать это. Одним из них является использование фазовращателя — специальной муфты, которая способна поворачивать распределительный вал на определенный угол относительно его исходного положения под воздействием управляющей электроники и гидравлики. Такую систему чаще всего устанавливают на входе. При увеличении скорости сцепление поворачивает вал в процессе вращения, что приводит к более раннему открытию впускных клапанов и, как следствие, лучшему заполнению цилиндров на высоких скоростях.
Но неугомонные инженеры на этом не остановились и разработали системы, которые не только сдвигают фазы, но и расширяют или сужают их. Этого можно достичь несколькими способами, в зависимости от конструкции. Например, в системе Toyota VVTL-i дополнительный кулачок с измененным профилем начинает работать вместо обычного кулачка после набора определенных оборотов (6000 об./мин). Когда коленчатый вал раскручивается до максимума (около 8500 об./мин), при скорости вращения 6000-6500 об./мин, двигатель, кажется, получает второе дыхание, которое способно придать автомобилю жесткий и мощный разгон во время ускорения.
Замечательно менять крутящий момент и продолжительность открывания. А что если мы попробуем изменить высоту подъема? Ведь благодаря такому подходу можно избавиться от дроссельной заслонки и перенести процесс управления режимами работы двигателя на клапанный механизм.
Почему дроссельный клапан вреден? Он ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних скоростях. Ведь при работающем двигателе во впускном тракте под закрытой дроссельной заслонкой образуется высокий вакуум. Что в результате? Высокая инерционность разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшение качества заполнения цилиндра зарядом, снижение мощности двигателя и скорости срабатывания педали газа.
Поэтому открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения желаемого заполнения цилиндра горючей смесью, было бы лучшим вариантом. Инженеры нашли выход — механическую систему управления подъемом впускного клапана. В таких системах высота подъема и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По данным из различных источников, экономия от использования бесступенчатой системы управления может быть в пределах от 8% до 15%, увеличение мощности и крутящего момента — от 5 до 15%.
Эффективность наполнения и очистки цилиндров можно усовершенствовать. Каким образом? За счет скорости открытия клапанов. Однако механический привод здесь уступает место электромагнитному.
В чем еще одно преимущество электромагнитного привода? Дело в том, что закон (ускорение в любое время) подъема клапана также можно усовершенствовать, а продолжительность открытия клапана менять в широких пределах. Электроника, согласно предустановленной программе, может время от времени не открывать ненужные клапаны и вообще отключать цилиндры. Для чего? В целях экономии средств, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. В дополнение к режимам, электромагнитный клапанный механизм способен превратить обычный четырехтактный двигатель в шеститактный непосредственно во время работы. Как скоро такие системы появятся на конвейере?
Возможно, дальнейшее повышение эффективности двигателя из-за синхронизации больше невозможно. Получить еще большую мощность и крутящий момент от того же объема при меньшем потреблении можно будет только с использованием других средств. Например, при помощи комбинированного наддува или конструкции, изменяющей степень сжатия, а также других видов топлива. Но это совсем другая история.
Оригинальная статья на сайте ДРАЙВ: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
