Эволюция и принципы работы систем изменения фаз газораспределения ДВС

После внедрения в серийное производство первого регулятора фаз от компании Alfa Romeo, аналогичные конструкции начали применять Mercedes-Benz, Nissan и другие автопроизводители. Большинство данных механизмов базировалось на использовании прямозубых или косозубых шестерен, повторяя функциональный принцип итальянской разработки. Такие системы заложили фундамент для дальнейшего совершенствования газораспределительных механизмов в массовом сегменте двигателестроения.

Система, корректирующая фазы путем изменения рабочей длины цепи, представлена устройством от компании Hydraulik-Ring. Регулирующий элемент располагается между приводными колесами двух распределительных валов, где впускной вал приводится в движение выпускным. Данное устройство совмещает в себе функции стандартного натяжителя цепи и гидравлического цилиндра, предназначенного для варьирования геометрии привода.

Под воздействием давления масла поршень гидравлического цилиндра перемещается в требуемое положение в зависимости от заданных фаз. В результате этого процесса одна ветвь цепи удлиняется, в то время как длина другой пропорционально сокращается. Подобная конструкция обеспечивает фиксированное переключение между двумя положениями впускного распределительного вала (Рис. 10-70).

Рис. 10-70. Функциональный принцип работы цепного устройства регулировки фаз ГРМ.

В процессе регулировки цепной привод остается постоянно натянутым благодаря интеграции натяжителя в общую схему механизма. Управление исполнительным цилиндром осуществляется посредством гидравлического 4/2-ходового клапана с электронным контролем. В представленном решении используется гидравлически изменяемый привод клапанов, где крайние положения фиксируются исключительно за счет давления рабочей жидкости.

Конструкция системы позволяет осуществлять регулировку при штатном давлении масла в двигателе даже в неблагоприятных эксплуатационных условиях. Это исключает необходимость установки дорогостоящего дополнительного масляного насоса, упрощая общую архитектуру ДВС. Данный принцип нашел широкое применение в серийных силовых агрегатах таких марок, как Audi, Porsche (Рис. 10-71) и Volkswagen.

Рис. 10-71. Регуляторы фаз в виде цепного устройства для двигателя Porsche Boxster.

Развитие систем бесступенчатого регулирования впускных распределительных валов позволило удерживать более двух промежуточных положений механизма. Концерн BMW стал первым автопроизводителем, внедрившим непрерывную регулировку фаз в массовое производство (Рис. 10-72). Первоначально технология применялась только для впускного вала, однако позже была адаптирована и для выпускной группы кулачков.

Рис. 10-72. Система бесступенчатой регулировки распределительного вала шестицилиндрового двигателя BMW.

Новое поколение регуляторов представлено системами, работающими по принципу поворотных лопастных двигателей (swing motors). Данные модули легко адаптируются к существующим конструкциям головок блока цилиндров как для впускных, так и для выпускных валов. Внутри устройства расположен поворотный ротор, жестко соединенный с распределительным валом, и внешний корпус, приводимый цепью или ремнем.

Связь между внутренними и внешними компонентами обеспечивается через рабочие полости, заполненные моторным маслом под давлением. Подача жидкости на обе стороны лопастей ротора регулируется электроникой через пропорциональный 4/2-ходовой клапан. Изменение относительного углового положения вала происходит пропорционально разности давления в камерах ротора.

Фактический угол поворота вала фиксируется датчиком и сравнивается с эталонным значением в блоке управления Motronic. Система постоянно корректирует положение через пропорциональный клапан для поддержания стабильных промежуточных состояний ротора. Питание механизма осуществляется штатной системой смазки двигателя без использования вспомогательных нагнетательных агрегатов.

Алгоритм управления базируется на анализе частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и текущей температуры двигателя. По сравнению с зубчатыми аналогами, лопастные системы являются более экономичным решением для современных бензиновых двигателей. Применение технологий спекания (порошковой металлургии) и упрощение конструкции уплотнений масляных камер значительно снижают производственные издержки.

Лопастные регуляторы могут быть даже эффективнее по себестоимости, чем двухпозиционные зубчатые механизмы старого образца. Пример компоновки сдвоенных регуляторов от Hydraulik-Ring для шестицилиндрового двигателя наглядно демонстрирует компактность системы (Рис. 10-73). Интеграция таких узлов в современные ДВС позволяет достичь оптимального баланса между мощностью и экологичностью.

Рис. 10-73. Функциональный принцип и контур управления бесступенчатого регулятора с поворотным двигателем.

На примере трехлитрового двигателя Audi V6 (Рис. 10-74 и 10-75) показана схема установки двойных лопастных регуляторов. В данной конфигурации на стороне выпуска применяется двухступенчатая регулировка, а на стороне впуска — бесступенчатая. При использовании ременного привода ГРМ корпус регулятора требует герметичной капсуляции для предотвращения утечек масла.

Рис. 10-74. Расположение регуляторов фаз в шестицилиндровом двигателе на базе поворотного двигателя.

Рис. 10-75. Система двойной регулировки фаз в 3.0-литровом бензиновом двигателе V6 от Audi.

Помимо разработок Hydraulik-Ring, используемых в автомобилях концерна VAG, схожие лопастные системы применяют Renault, Toyota и Volvo. Для гидравлического управления механизмами используется широкая номенклатура распределительных клапанов. Основная классификация разделяет их на пропорциональные и переключающие (дискретные) в зависимости от типа решаемых задач.

Регуляторы, имеющие только два фиксированных положения, обычно оснащаются простыми 4/2-ходовыми клапанами. В современных системах с непрерывным циклом регулирования доминируют 4/3-ходовые пропорциональные клапаны (Рис. 10-76). Проектирование этих компонентов требует учета множества эксплуатационных факторов, характерных для массового автомобильного производства.

Инженеры сталкиваются с проблемами загрязнения масла, вибраций двигателя, экстремальных температурных колебаний и нестабильности бортовой сети. Для адаптации клапана к конкретной модели двигателя часто разрабатываются специализированные модификации в рамках модульных систем. Тесное взаимодействие разработчиков систем газораспределения и конструкторов двигателей является залогом успешного серийного внедрения инноваций.

Рис. 10-76. Поперечное сечение, характеристика Q-I, технические данные и гидравлическое обозначение 4/3-ходовых пропорциональных клапанов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ричард ван Бассхейзен, Фред Шефер

Источник: Руководство по двигателям внутреннего сгорания

Данные публикации будут полезны студентам автотехнических и машиностроительных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам в области двигателестроения, специалистам по ремонту и обслуживанию ДВС, а также всем, кто интересуется современными технологиями газораспределительных механизмов.