Що таке фази газорозподілу і як вони працюють

У конструкцію чотиритактного двигуна, що працює за принципом виділення енергії під час згоряння суміші палива і пального, входить один важливий механізм, без якого агрегат не зможе функціонувати. Це ГРМ або газорозподільний механізм.

У більшості стандартних моторах він встановлюється в голівці блоку циліндрів. Детальніше про пристрій механізму розповідається в окремій статті. Зараз зосередимося на тому, що таке фаза газорозподілу, а також як її робота впливає на показники потужності двигуна і його ККД.

Що таке фази газорозподілу двигуна

Коротко про сам механізм ГРМ. Колінчастий вал через ремінний привід (у багатьох сучасних ДВС замість прогумованого ременя встановлюється ланцюг) з'єднаний з розподілвалом. Коли водій запускає ДВС, стартер провертає маховик. Обидва вала починають синхронне обертання, але з різною швидкістю (в основному за один оборот розподільного вала колінчастий робить два оберти).

На розподільному валу є спеціальні кулачки, виконані у формі крапельки. Коли конструкція провертається, кулачок натискає на підпружинений шток клапана. Клапан відкривається, дозволяючи паливно-повітряної суміші потрапити в циліндр або видалити вихлоп в випускний колектор.

Фазою газорозподілу якраз і називається момент, коли клапан починає відкривати впускний / випускний отвір до тієї миті, коли відбувається його повне закриття. Кожен інженер, робітник над розробкою силового агрегату, розраховує, якою має бути висота відкриття клапана, а також на який час він залишиться у відкритому стані.

Вплив фаз газорозподілу на роботу двигуна

Залежно від того, в якому режимі працює мотор, газорозподіл має починатися або раніше, або пізніше. Це впливає на ККД агрегату, його економічність і максимальний крутний момент. Причина в тому, що своєчасне відкриття / закриття впускного і випускного колекторів має ключове значення в максимально ефективному використанні енергії, що вивільняється в процесі згоряння ВТС.

Якщо впускний клапан починає відкриватися не в той момент, коли поршень виконує такт впуску, то буде відбуватися нерівномірне наповнення порожнини циліндра свіжою порцією повітря та пальне гірше змішається, що призведе до неповного згоряння суміші.

Що стосується випускного клапана, то він теж повинен відкриватися не раніше, ніж поршень займе нижню мертву точку, але і не пізніше того, як він почне свій хід вгору. У першому випадку компресія впаде, а разом з нею мотор втратить потужність. У другому - продукти горіння при закритому клапані будуть створювати опір для поршня, який розпочав свій підйом. Це додаткове навантаження на кривошипно-шатунний механізм, що може вивести з ладу деякі його деталі.

Для адекватної роботи силового агрегату потрібні різні фази газорозподілу. Для одного режиму потрібно, щоб клапана відкривалися раніше і закривалися пізніше, а для інших - навпаки. Також має велике значення параметр перекриття - чи будуть одночасно відкриті обидва клапани.

Більшість стандартних моторів мають незмінний газорозподіл. Такий двигун в залежності від типу распредвала матиме максимальну ефективність або в спортивному режимі, або при спокійній їзді на знижених оборотах.

На сьогоднішній день багато автомобілів середнього і преміального сегмента оснащуються моторами, система газорозподілу яких може міняти деякі параметри відкриття клапанів, завдяки чому відбувається якісне наповнення та вентиляція циліндрів при різних оборотах коленвала.

Ось як має виконуватися газорозподіл на різних режимах двигуна:

1. Холостий хід вимагає так званих вузьких фаз. Це означає, що клапана пізніше починають відкриватися, а момент закриття у них навпаки - ранній. Одночасного відкритого стану в такому режимі немає (обидва клапана не будуть одночасно відкритими). Коли обертання коленвала має невелике значення, при перекритті фаз вихлопні гази можуть потрапляти у впускний колектор, а певний обсяг ВТС - в випускний.
2. Максимально потужний режим - для нього потрібні широкі фази. Це такий режим, при якому через високі оборотів клапани мають меншу тривалість відкритого положення. Це призводить до того, що при спортивній їзді наповнюваність і провітрювання циліндрів виконується неякісно. Щоб виправити ситуацію, фази газорозподілу потрібно змінювати, тобто клапани потрібно раніше відкрити, а їх тривалість в такому положенні має збільшитися.

Розробляючи конструкції моторів із змінними фазами газорозподілу, інженери враховують залежність моменту відкриття клапанів від оборотів коленвала. Ці складні системи дозволяють робити мотор максимально універсальним для різних стилів їзди. Завдяки такій розробці агрегат показує широкий спектр можливостей:

• На низьких оборотах мотор повинен бути тягучим;
• При підвищенні оборотів він не повинен втрачати потужність;
• Незалежно від того, в якому режимі працює ДВС, економія палива, а разом з нею і екологічність транспорту, повинна мати максимально можливий рівень для конкретного агрегату.

Всі ці параметри можна змінювати за рахунок заміни конструкції розподільних валів. Однак і в цьому випадку ККД мотора буде мати свою межу тільки на одному режимі. Як щодо того, щоб мотор міг змінювати профіль самостійно в залежності від кількості оборотів колінчастого вала?

Зміна фаз газорозподілу

Сама по собі ідея міняти час відкриття клапанів в процесі роботи силового агрегату не нова. Ця думка періодично з'являлася в умах інженерів, які займалися розробкою ще парових двигунів.

Так, одна з подібних розробок називалася редуктором Стівенсона. Механізм змінював час надходження пара в робочий циліндр. Режим називався «відсікання пара». Коли спрацьовував механізм, натиск перенаправлявся в залежності від конструкції транспортного засобу. З цієї причини старовинні паровози крім диму викидали ще й клуби пара, коли потяг стояв на місці.

Робота зі зміною фаз газорозподілу також велася з авіаційними агрегатами. Так, експериментальна модель мотора V-8 від компанії Clerget-Blin потужністю в 200 кінських сил могла змінювати цей параметр за рахунок того, що конструкція механізму включала ковзний распредвал.

А на моторі Lycoming XR-7755 встановлювалися розподільні вали, в яких були два різних кулачка на кожен клапан. Пристрій мав механічний привід, і активізувався самим пілотом. Він міг вибрати один з двох варіантів в залежності від того, йому потрібно підняти літак в небо, піти від погоні або просто виконати економічний переліт.

Що стосується автомобілебудування, то над застосуванням даної ідеї почали замислюватися інженери ще в 20-х роках минулого століття. Причиною стала поява високоспритних моторів, які встановлювалися на спорткари. Підвищення потужності в таких агрегатах мало певну межу, хоча агрегат можна було розкрутити і сильніше. Щоб транспортний засіб мав велику потужність, спочатку тільки збільшували обсяг двигуна.

Першим, хто впровадив змінюються газорозподільні фази, був Lawrence Pomeroy, який працював головним конструктором автокомпанії Vauxhall. Він створив мотор, в якому в газорозподільному механізмі встановлювався особливий распредвал. Ряд його кулачків мав кілька комплектів профілів.

4.4-літровий H-Type в залежності від оборотів колінчастого вала і навантаження, яку той відчував, міг переміщати распредвал по поздовжній осі. Завдяки цьому змінювалося час і висота відкриття клапанів. Так як ця деталь мала обмеження в переміщенні, управління фазами також мало свою межу.

Здійсненням подібної ідеї займалася також компанія Porsche. У 1959-му році з'явився патент на «хиткі кулачки» розподільного вала. Ця розробка повинна була міняти висоту підйому клапанів, а разом з тим і час їх відкриття. Розробка так і залишилася на стадії проекту.

Найпершим працездатним механізмом управління фазами газорозподілу була розробка компанії Fiat. Винахід розробив Giovanni Torazza в кінці 60-х рр. У механізмі використовувалися гидротолкатели, які міняли точку опори штовхача клапана. Пристрій працювало в залежності від того, якими були обороти двигуна і тиск у впускному колекторі.

Однак першим серійним автомобілем із змінними фазами ГР був від Alfa Romeo. Модель Spider 1980-го року випуску отримала електронний механізм, який змінює фази в залежності від режимів роботи ДВС.

Способи змінити тривалість і ширину фаз газорозподілу

На сьогоднішній день існує кілька типів механізмів, що змінюють момент, час і висоту відкриття клапанів:

1. У найпростішому виконанні це особлива муфта, яка встановлена ​​на привід газорозподільного механізму (фазообертач). Управління здійснюється завдяки гідравлічному впливу на виконуючий механізм, а контроль виконує електроніка. Коли двигун працює на холостих обертах, распредвал знаходиться в первісному положенні. Як тільки обороти підвищуються, електроніка реагує на цей параметр, і активує гідравліку, яка трохи провертає розподільний вал щодо початкового положення. Завдяки цьому клапани відкриваються трохи раніше, що дає можливість швидше наповнити циліндри свіжою порцією ВТС.
2. Зміна профілю кулачків. Це розробка, якою користуються автомобілісти вже досить давно. Якщо встановити распредвал з нестандартними кулачками, можна змусити агрегат працювати з більшою ефективністю на підвищених обертах. Однак таку модернізацію повинен виконувати розбирається механік, що призводить до великих розтрат. У моторах з системою VVTL-i розподілвали мають кілька комплектів кулачків з різними профілями. Коли ДВС працює на холостих обертах, свою функцію виконують стандартні елементи. Як тільки показник оборотів коленвала переміщається за позначку в 6 тисяч, розподільний вал трохи зміщується, завдяки чому в роботу вступають інший комплект кулачків. Схожий процес відбувається, коли двигун розкручується до 8.5 тисяч, і починає працювати третій комплект кулачків, які робить фази ще ширше.
3. Зміна висоти відкриття клапана. Ця розробка дозволяє одночасно змінювати режими роботи ГРМ, а також виключити дросельну заслінку. У таких механізмах натискання на педаль акселератора активує механічний пристрій, що впливає на силу відкриття впускних клапанів. Така система забезпечує скорочення витрати палива приблизно на 15 відсотків, а також підвищення потужності агрегату на стільки ж. У більш сучасних моторах використовується не механічний, а електромагнітний аналог. Гідність другого варіанту в тому, що електроніка здатна більш ефективно і плавно змінювати режими відкриття клапанів. Висота підйому може бути практично ідеальною, а час відкриття може мати більш широкі межі в порівнянні з попередніми модифікаціями. Така розробка заради економії пального може навіть відключити деякі циліндри (не відкривати деякі клапани). Такі мотори активують систему, коли машина зупиняється, але ДВС не потрібно вимикати (наприклад, на світлофорі) або коли водій уповільнює авто за допомогою ДВС.

Навіщо міняти фази газорозподілу

Застосування механізмів, що змінюють фази газорозподілу дозволяють:

• Більш ефективно використовувати ресурс силового агрегату на різних режимах його роботи;
• Збільшити потужність без необхідності в установки нестандартного распредвала;
• Зробити транспортний засіб більш економічним;
• Забезпечити ефективне наповнення і вентиляцію циліндрів на високих оборотах;
• За рахунок більш ефективного згоряння повітряно-паливної суміші підвищити екологічність транспорту.

Так як різні режими роботи ДВС вимагають своїх параметрів фаз газорозподілу, з використанням механізмів зміни ФГР машина може відповідати ідеальним параметрам потужності, крутного моменту, екологічності та економічності. Єдина проблема, яку поки жоден виробник не може вирішити, це дорожнеча пристрою. У порівнянні зі стандартним мотором аналог, оснащений подібним механізмом, буде коштувати майже в два рази більше.

Деякі автомобілісти використовують системи зміни фаз газорозподільного механізму, щоб підвищити потужність авто. Однак за допомогою модифікованого ГРМ максимум з агрегату неможливо вичавити. Про інші можливості читайте тут.

На завершення пропонуємо невелике наочне приладдя про роботу системи зміни фаз газорозподілу:

Система зміни фаз газорозподілу на прикладі CVVT

Питання та відповіді:

Що називається фазою газорозподілу? Це момент, коли відкривається/закривається клапан (впускний або випускний). Цей термін виражається у градусах повороту колінвала двигуна.

Чщо впливає на фази газорозподілу? На фази газорозподілу впливає режим роботи двигуна. Якщо ГРМ немає фазообертача, то максимальний ефект досягається лише у певному діапазоні оборотів мотора.

Навіщо потрібна діаграма фаз газорозподілу? Ця діаграма показує, наскільки ефективно відбувається наповнення, згоряння та очищення у циліндрах у конкретному діапазоні обертів. Вона дозволяє грамотно підібрати фази газорозподілу.