В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования.
Чтобы варьировать фазами газораспределения необходимо изменять положение распределительного вала относительно коленчатого, что в современных двигателях получается с помощью систем изменяемых фаз газораспределения, путем поворота распределительного вала относительно его привода.
Как правило, изменение фаз газораспределения применяется в двигателях с двумя распределительными валами, один из которых служит для открытия впускных клапанов, другой – выпускных. Широкое распространение находят системы с изменение натяжения цепи по принципу гидравлического кольца. Изменение фаз газораспределения при таком виде производится только для впускных клапанов. Распределительный вал для открытия выпускных клапанов приводится во вращение от коленчатого вала двигателя через шестерню или звездочку ременной, или цепной передачи 1, а распределительный вал для открытия впускных клапанов через цепную передачу от звездочки, установленной на распределительном вале привода выпускных клапанов 2 (рис. 8.25).
В систему изменения фаз газораспределения масло поступает через отверстие в головке блока. Изменение потоков масла осуществляется управляющим клапаном 1, передвигающим золотник 2, по сигналам блока управления двигателем (рис. 8.26).
Для изменения фаз газораспределения впускных клапанов служит гидравлический цилиндр с поршнем 10. При подаче масла в цилиндр по сигналу блока управления поршень, выдвигаясь, воздействует на натяжитель цепи. Одна сторона цепи начинает удлиняться, а противоположная укорачиваться, при этом происходит поворот звездочки для привода впускных клапанов, не связанной цепной передачей с коленчатым валом. Управление подачей масла осуществляется с помощью клапана 1, управляемого электронным блоком управления. Указанная система имеет дискретный двухпозиционный диапазон изменения фаз газораспределения, так как давление масла, развиваемое штатным масляным насосом, изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, и может служить только для движения поршня в верхнее или нижнее положение. Такой принцип изменения фаз газораспределения имеют серийные двигатели фирмAudi, Porsche, Ford и Volkswagen.
При неработающем двигателе изменения натяжения цепи не происходит, ввиду отсутствия давления масла на управляющий поршень 10. Стартовый фиксатор 8 при этом входит в паз канавки управляющего поршня и стопорит его, исключая колебания цепи. Распределительный вал в данном случае устанавливается на более позднее открытие клапанов, соответствующее увеличению мощности двигателя. В зависимости от сигнала блока управления масло направляется в каналы, по которым масло поступает сверху или снизу поршня.
Полость для масла служит для наполнения без давления плунжера натяжного устройства цепи нагнетательной полости при запуске двигателя. Это сказывается также положительно на шумовых свойствах при запуске двигателя. Отверстие 3 сверху полости для масла служит для вентиляции и смазки цепи.
После запуска двигателя, когда давление масла начинает возрастать, оно воздействует на плоскость стартового фиксатора, преодолевая натяжение его пружины. Стартовый фиксатор освобождает управляющий поршень и он, передвигаясь, натягивает цепь, устанавливая фазы газораспределения в положение раньше или позже (рис. 8.27), соответствующее увеличению крутящего момента или мощности двигателя.
При верхнем натяжении распределительный вал впускных клапанов поворачивается в сторону «запаздывания», другими словами, впускные клапаны открываются и закрываются позже. Если будет нижнее натяжение распределительный вал впускных клапанов поворачивается в сторону «опережения», и впускные клапаны открываются и закрываются раньше.
Для увеличения давления на поршень может применяться отдельный масляный насос. Применение высокого давления позволяет устанавливать более точное положение распределительного вала в зависимости от нагрузки двигателя.
Необходимый угол изменения фаз газораспределения выбирается в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала по полю параметрических характеристик. Отклонение необходимого угла поворота распределительного вала от истинного угла рассчитывается по алгоритму блока управления, согласно выданному значению которого, изменяется ток в клапане управления давлением масла. Клапан управления в свою очередь изменяет давление масла на исполнительный механизм, позволяющий поворачивать распределительный вал. Частота вращения коленчатого вала определяется индуктивными датчиками, установленными на коленчатом или распределительном валу, считывающими частоту вращения по зубчатым колесам, установленным на валах.
Дополнительно можно посмотреть фильм 8.7.
Распределительный вал привода впускных клапанов может поворачиваться и с помощью поршня (рис. 8.28).
Устройство устанавливается на переднем конце распределительного вала, управляющего впускными клапанами.
При низких частотах вращения коленчатого вала обеспечивается позднее открытие впускных клапанов и минимальное перекрытие клапанов, что позволяет добиться минимально возможного обратного выброса отработавших газов во впускной канал, увеличения крутящего момента и снижения расхода топлива. В этом положении якоря-клапана его вертикальный канал соединен с пространством с правой стороны поршня, так как электромагнит 5 устройства выключен (рис. 8.28, а). Поршень 4 отжат влево под воздействием пружины и давления масла, поступающего через якорь-клапан 6.
На высоких частотах по команде электронного блока управления двигателем включается электромагнит 5, сердечник которого соединяет вертикальный канал с пространством с левой стороны поршня (рис. 8.28, б). Масло из центрального отверстия распределительного вала поступает под поршень 4, имеющий внутренние и наружные косые шлицы. Ответные шлицы имеет конец вала и ступица звездочки цепи 3. Двигаясь в направлении «назад», поршень за счет шлицев обеспечивает сдвиг звездочки в окружном направлении относительно вала на 12…15° в сторону более раннего впуска. Это позволяет увеличить крутящий момент двигателя на высоких частотах вращения. Подобные механизмы устанавливаются на двигателях (Мercedes Вenz, Alfa Romeo и др.) с двумя верхними распределительными валами.
Дополнительно можно посмотреть фильм 8.8.
В связи с все более повышающимися требованиями к уменьшению выбросов токсичных веществ с отработавшими газами в настоящее время разработаны устройства, которые могут изменять фазы газораспределения во всем диапазоне возможной частоты вращения коленчатого вала двигателя, как для впускных, так и для выпускных клапанов, что позволяет регулировать количество остаточных отработавших газов в камере сгорания. Бесступенчатое изменение фаз газораспределения позволяет также улучшить работу двигателя на холостом ходу и полных нагрузках, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности. Такая система с использованием гидроуправляемой муфтой показана на рис. 8.29.
Привод состоит из двух частей – внутренней с закручивающимся ротором 10, связанной с распределительным валом и внешней 11, приводимой цепью или ременной передачей от коленчатого вала. Связь между обеими частями осуществляется с помощью масляной полости, в которой выступы ротора или лопасти поворачивают ротор влево или вправо. Одновременно с ротором поворачивается распределительный вал, на который навинчен ротор.
Давление масла в рабочей камере зависит от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и температуры двигателя. Положение распределительного вала относительно коленчатого вала во время работы двигателя может быть, как переменным, так и постоянным (фиксированным). Питание рабочей полости осуществляется от системы смазки двигателя.
Жесткая связь между приводной звездочкой и ротором, связанным с распределительным валом, существует только во время запуска двигателя. Некоторые производители, например, Ауди, при запуске двигателя блокируют ротор при запуске двигателя специальным плунжером, управляемым гидравлической системой, что позволяет установить распределительный вал привода впускных клапанов в положении наиболее благоприятного впуска топливовоздушной смеси. При наполнении масляной полости маслом, внутренняя и внешняя части привода разъединяются. При самом большом давлении масла распределительные валы поворачиваются в положение, соответствующее наиболее позднему впуску горючей смеси и наиболее раннему выпуску отработавших газов.
Управляющий электрогидравлический распределитель 8 состоит из гидравлической части и электромагнита. Клапан установлен на корпусе распределительных валов и подключен к системе смазки двигателя. В цилиндре распределителя установлен золотник, перемещение которого приводит к изменению потоков масла. Управление положением золотника управляющего распределителя происходит по сигналу электронного блока управления 2. В зависимости от положения распределителя масло подается к гидроуправляемой муфте через один или через оба канала. Подключением того или иного канала производится перестановка ротора в положение «рано» или «поздно» или же он удерживается в определенном фиксированном положении.
Принцип работы гидроуправляемой муфты заключается в следующем. После пуска двигателя гидроуправляемая муфта поворота распределительного вала остаётся заблокированной стопорным пальцем в положении «рано» до тех пор, пока не будет обеспечено требуемое давление масла. Как только необходимое давление масла будет создано, подпружиненный стопорный палец разблокирует муфту и можно будет изменять угловое положение распределительного вала. Регулируя соотношение давления масла в рабочих камерах между ротором и статором, распределительный вала можно бесступенчато поворачивать в диапазоне от 0° до 50° угла поворота коленчатого вала или 25° по углу поворота распределительных валов. Для регулирования фаз газораспределения блок управления двигателя подаёт ШИМ-сигнал на клапан регулятора фаз газораспределения. В результате сервоклапан перемещается в среднее положение (рис. 8.30, а) и остаётся в нём, пока режим работы двигателя не потребует изменения углового положения распределительный вала в направлении «рано» или «поздно».
Чтобы повернуть распределительный вал в сторону «поздно», блок управления двигателя подаёт на клапан регулятора фаз газораспределения ШИМ-сигнал. Вследствие этого сервоклапан занимает положение, при котором находящееся под давлением масло начинает поступать по масляному каналу в рабочие камеры «B» (рис. 8.29, а). Одновременно с этим сервоклапан открывает канал, по которому масло может стекать из рабочих камер «A» в масляный поддон. В результате под давлением масла, действующим на пластины ротора со стороны рабочих камер «B», ротор и распределительный вал поворачиваются относительно статора. Распределительный вал поворачивается в направлении вращения коленчатого вала. За счёт этого впускные и выпускные клапаны, активируемые регулируемым распределительным валом, открываются и закрываются позже.
Чтобы повернуть распределительный вал в сторону «рано», сигнал от блока управления двигателя на клапан регулятора фаз газораспределения соответствующим образом изменяется. Сервоклапан смещается, и масло под давлением начинает поступать по управляющему каналу в рабочие камеры «A» (рис. 8.29, б). Одновременно с этим клапан открывает канал стока масла из рабочих камер «B» обратно в масляный поддон. Давление масла действует теперь на пластины со стороны рабочих камер «A», и ротор вместе с распределительным валом поворачивается в направлении «рано».
Исходное положение золотника определяется натяжением возвратной пружины.