Системы регулирования фаз газораспределения: технологии Honda, Toyota и Porsche

Компания Honda стала первопроходцем в области массового внедрения систем регулирования хода клапанов в двигателях с искровым зажиганием. Инновационная разработка, получившая название VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control), позволяет динамически изменять высоту подъема и время открытия клапанов. Основной принцип работы данной системы базируется на использовании специальных коромысел (rocker arms), внутри которых расположены гидравлические элементы. Путем перемещения небольших поршней, приводимых в действие давлением масла, достигаются различные состояния зацепления элементов. Это позволяет двигателю переключаться между несколькими профилями кулачков распределительного вала в зависимости от режима работы.

Рис. 10-77. Система Honda VTEC

На представленной схеме (Рис. 10-77) показана структура системы для четырехклапанного двигателя с двумя распределительными валами (DOHC). В правой части изображения приведена изометрическая проекция расположения клапанов и механизмов привода. Для каждого цилиндра на распределительном валу предусмотрен центральный кулачок, обладающий геометрией для большого хода и длительного открытия клапана. По бокам от него расположены профили с меньшими контурами, оптимизированные для работы на низких оборотах. Внутри модуля коромысел находится составной поршень, который перемещается под давлением масла параллельно оси распределительного вала.

Процесс переключения между профилями кулачков инициируется блоком управления на основе анализа карт двигателя. Основными параметрами для принятия решения служат частота вращения коленчатого вала, давление во впускном коллекторе, скорость автомобиля и температура охлаждающей жидкости. Смазочный материал подается через специальные каналы в оси, на которой закреплен модуль коромысел. В режиме малых оборотов на рабочие поверхности воздействуют боковые кулачки с малым профилем, обеспечивая экономичность и стабильность. При достижении определенных пороговых значений давление масла сдвигает поршень, жестко соединяя все три коромысла в единый блок.

Геометрия двухкомпонентного регулирующего поршня тщательно согласована с шириной коромысел для обеспечения точности срабатывания. В разомкнутом состоянии между центральным и боковыми коромыслами возникает относительный ход, при этом центральный элемент опирается на пружинный демпфер. Интеграция такого механизма в головку блока цилиндров с четырьмя и более клапанами представляет собой сложную инженерную задачу. Конструкторам необходимо найти пространство для размещения пружинных элементов, не нарушая жесткость конструкции. При активации системы, как показано на Рис. 10-77, центральный кулачок начинает воздействовать на весь модуль одновременно, исключая свободный ход.

Возврат регулирующего поршня в исходное положение осуществляется при помощи небольшой возвратной пружины при падении давления масла. Давление в системе управления поддерживается штатным масляным контуром двигателя без использования дополнительных насосов. Технология VTEC нашла применение как на впускных, так и на выпускных клапанах, значительно расширяя диапазон эффективности двигателя. За годы развития Honda подала множество патентных заявок, закрепляя за собой право на различные вариации данной схемы. Огромное количество авторов и изобретателей, указанных в документации, свидетельствует о колоссальном объеме проведенных научно-исследовательских работ.

В серийном производстве были реализованы решения для двигателей с одним (SOHC) или двумя (DOHC) распределительными валами. Инженеры применяли как роликовые толкатели, так и коромысла со скользящими поверхностями в зависимости от конкретных требований к мотору. В некоторых модификациях удалось реализовать до трех различных профилей кулачков для более плавного изменения характеристик. Подобный подход позволяет оптимизировать процесс газообмена как для режима холостого хода, так и для достижения максимальной мощности. Тщательная настройка переходов между режимами делает работу системы практически незаметной для водителя, сохраняя при этом высокий акустический комфорт.

Корпорация Mitsubishi также разработала аналогичную систему для своих четырех- и шестицилиндровых двигателей, получившую название MIVEC. Функциональный принцип здесь во многом схож с решением от Honda, однако имеет свои уникальные особенности реализации. В данной системе применяются три контура кулачков, один из которых представляет собой базовую окружность для полной остановки клапана. Это техническое решение позволяет реализовать функцию отключения цилиндров при малых нагрузках. Для стабильной работы механизма в головке блока цилиндров Mitsubishi устанавливается вспомогательный масляный насос небольшого размера.

Концерн DaimlerChrysler применяет системы регулируемого привода клапанов для деактивации цилиндров в серийных двигателях конфигураций V8 и V12. В основе лежит модуль роликовых коромысел, интегрированный в трехклапанную систему газораспределения с центральным распределительным валом. На Рисунке 10-78 продемонстрирован данный модуль без установленного распределительного вала для наглядности внутренних компонентов. Механика процесса идентична описанной выше системе: электрогидравлическое управление перемещает двухсоставной поршень против усилия пружины. Основным отличием является наличие «нулевого» хода, при котором клапан остается закрытым, эффективно отключая цилиндр из работы.

Рис. 10-78. Роликовый коромысловый модуль DaimlerChrysler для отключения клапанов

Главной целью внедрения такой технологии в двигателях большого объема является радикальное снижение расхода топлива при частичных нагрузках. На мощных многоцилиндровых моторах отключение половины цилиндров практически не сказывается на плавности хода и уровне вибраций. Современные исследования показывают, что такие меры позволяют снизить потребление горючего примерно на 15% по сравнению с традиционными ДВС. Электронный блок управления двигателем (ECU) мгновенно адаптирует подачу топлива и момент зажигания при переходе в режим экономии. Это делает эксплуатацию премиальных автомобилей более экологичной и экономически оправданной в городских условиях.

Компания Toyota не осталась в стороне и представила свою версию системы изменения высоты подъема клапанов под маркой VVTL-i. Как и конкуренты, японские инженеры использовали электрогидравлический привод поршня в модуле коромысел (Рис. 10-79). Основная сложность заключалась в обеспечении надежности механизма на экстремально высоких оборотах, характерных для спортивных модификаций. Система VVTL-i способна изменять не только фазы, но и ход клапана, что значительно улучшает наполнение цилиндров. Это решение стало важным этапом в эволюции двигателей серии ZZ-GE и других высокопроизводительных агрегатов компании.

Рис. 10-79. Привод клапанов Toyota VVTL-i для различных ходов клапана

Уникальность разработки Toyota заключается в комбинированном использовании ролика для низких оборотов и скользящей поверхности для высоких скоростей. При активации скоростного режима модуль коромысел фиксируется специальным стопором под элементом свободного хода. Стопор удерживается давлением масла, а при переходе на низкие обороты возвращается пружиной к центру вращения модуля. Малая масса подвижных компонентов позволяет минимизировать инерционные нагрузки и требования к жесткости возвратных пружин. В дополнение к этому Toyota использует систему непрерывного изменения фаз на впуске, что обеспечивает широчайший диапазон настройки характеристик.

Немецкий автопроизводитель Porsche традиционно отдавал предпочтение схеме с использованием стаканчатых толкателей в своих четырехклапанных двигателях. В 2000 году компания представила инновационный турбированный мотор, оснащенный системой VarioCam Plus. Это была первая реализация технологии переключаемых стаканчатых толкателей для изменения хода клапанов в серийном производстве. Система объединила в себе механизм изменения фаз на впускном валу и двухрежимный подъем клапанов. Такой симбиоз позволил добиться исключительной эластичности двигателя и соответствия строгим экологическим нормам без потери динамических качеств.

Переключаемый стаканчатый толкатель от Porsche состоит из внутреннего и внешнего элементов, которые могут работать независимо или совместно (Рис. 10-80). Правильная ориентация толкателя в головке блока обеспечивается специальной направляющей, предотвращающей нежелательное вращение. Для компенсации угловых отклонений при максимальных ходах рабочая поверхность может иметь сферическую форму. Внутри механизма находятся миниатюрные гидравлические поршни, которые по сигналу электроники соединяют внутреннюю и внешнюю части. Данный тип привода классифицируется как «механически переменный», так как силовое воздействие передается через жесткое зацепление компонентов.

Рис. 10-80. Переключаемый стаканчатый толкатель Porsche

Внедрение подобных систем обычно требует разработки совершенно нового поколения головок блока цилиндров с оптимизированными масляными каналами. Геометрия кулачков при этом остается традиционной, что позволяет использовать стандартное оборудование для их механической обработки. Согласно классификации, данные решения относятся к системам с переменным передаточным звеном между кулачком и клапаном. Принцип их действия остается сугубо механическим, несмотря на наличие сложного гидравлического управления. Ожидается, что по мере ужесточения требований к эффективности подобные технологии получат еще более широкое распространение в мировом двигателестроении.

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.