Изменяемые фазы газораспределения ( VVT ) — это процесс изменения времени подъема клапана в двигателе внутреннего сгорания , который часто используется для улучшения производительности, экономии топлива или выбросов. Он все чаще используется в сочетании с системами изменения фазы газораспределения . Существует много способов, с помощью которых этого можно добиться, от механических устройств до электрогидравлических и бескулачковых систем. Все более строгие нормы выбросов заставляют [1] многих автопроизводителей использовать системы VVT.
В двухтактных двигателях используется система клапанов мощности , позволяющая получить результаты, аналогичные VVT.
Клапаны в двигателе внутреннего сгорания используются для управления потоком впускных и выпускных газов в камеру сгорания и из нее . Время, продолжительность и подъем этих клапанных событий оказывают значительное влияние на производительность двигателя. Без изменения фаз газораспределения или переменного подъема клапана фазы газораспределения одинаковы для всех скоростей и условий двигателя, поэтому необходимы компромиссы. [2] Двигатель, оснащенный системой изменения фаз газораспределения, освобождается от этого ограничения, что позволяет улучшить производительность во всем рабочем диапазоне двигателя.
Поршневые двигатели обычно используют клапаны, которые приводятся в действие распределительными валами . Кулачки открывают ( поднимают ) клапаны на определенное время ( продолжительность ) во время каждого цикла впуска и выпуска. Момент открытия и закрытия клапана относительно положения коленчатого вала важен. Распределительный вал приводится в действие коленчатым валом через зубчатые ремни , шестерни или цепи .
Двигателю требуется большое количество воздуха при работе на высоких скоростях. Однако впускные клапаны могут закрыться до того, как в каждую камеру сгорания поступит достаточно воздуха, что снижает производительность. С другой стороны, если распределительный вал удерживает клапаны открытыми в течение более длительного времени, как в случае с гоночным кулачком, проблемы начинают возникать на более низких скоростях двигателя. Открытие впускного клапана, когда выпускной клапан все еще открыт, может привести к выходу несгоревшего топлива из двигателя, что приведет к снижению производительности двигателя и увеличению выбросов. Согласно книге инженера Дэвида Визарда «Building Horsepower», когда и впуск, и выпуск открыты одновременно, выхлоп с гораздо более высоким давлением выталкивает впускной заряд обратно из цилиндра, загрязняя впускной коллектор выхлопными газами в худшем случае.
Ранние системы изменения фаз газораспределения использовали дискретную (ступенчатую) регулировку. Например, одна фаза газораспределения использовалась ниже 3500 об/мин, а другая — выше 3500 об/мин.
Более продвинутые системы «непрерывного изменения фаз газораспределения» предлагают непрерывную (бесконечную) регулировку фаз газораспределения. Таким образом, фазу газораспределения можно оптимизировать для соответствия всем скоростям и условиям двигателя. [2] [3]
Простейшей формой VVT является кулачковая фазировка , при которой фазовый угол распредвала вращается вперед или назад относительно коленчатого вала. Таким образом, клапаны открываются и закрываются раньше или позже; однако подъем и продолжительность распредвала не могут быть изменены исключительно с помощью системы кулачковой фазировки.
Для достижения переменной продолжительности в системе VVT требуется сложная система, например, несколько профилей кулачков или качающиеся кулачки.
Позднее закрытие впускного клапана (LIVC) Первая вариация непрерывной регулировки фаз газораспределения заключается в том, что впускной клапан удерживается открытым немного дольше, чем в традиционном двигателе. Это приводит к тому, что поршень фактически выталкивает воздух из цилиндра обратно во впускной коллектор во время такта сжатия. Выбрасываемый воздух заполняет коллектор с более высоким давлением, а на последующих тактах впуска всасываемый воздух находится под более высоким давлением. Было показано, что позднее закрытие впускного клапана снижает насосные потери на 40% в условиях частичной нагрузки и снижает выбросы оксида азота ( NOx ) на 24%. Пиковый крутящий момент двигателя снизился всего на 1%, а выбросы углеводородов остались неизменными. [3]
Раннее закрытие впускного клапана (EIVC) Еще один способ уменьшить насосные потери, связанные с низкой скоростью двигателя и высоким вакуумом, — это закрыть впускной клапан раньше обычного. Это подразумевает закрытие впускного клапана на полпути в такте впуска. Потребности в воздухе/топливе настолько низки в условиях низкой нагрузки, а работа, необходимая для заполнения цилиндра, относительно высока, поэтому раннее закрытие впускного клапана значительно снижает насосные потери. [3] Исследования показали, что раннее закрытие впускного клапана снижает насосные потери на 40% и увеличивает экономию топлива на 7%. Это также снижает выбросы оксида азота на 24% в условиях частичной нагрузки. Возможным недостатком раннего закрытия впускного клапана является то, что оно значительно снижает температуру камеры сгорания, что может увеличить выбросы углеводородов. [3]
Раннее открытие впускного клапана Раннее открытие впускного клапана — еще один вариант, который имеет значительный потенциал для снижения выбросов. В традиционном двигателе процесс, называемый перекрытием клапанов, используется для помощи в контроле температуры цилиндра. При раннем открытии впускного клапана часть инертного/сгоревшего выхлопного газа будет выходить из цилиндра через впускной клапан, где он на мгновение охлаждается во впускном коллекторе. Затем этот инертный газ заполняет цилиндр в последующем такте впуска, что помогает контролировать температуру цилиндра и выбросы оксида азота. Это также повышает объемную эффективность, поскольку на такте выпуска выбрасывается меньше выхлопных газов. [3]
Раннее/позднее закрытие выпускного клапана Раннее и позднее закрытие выпускного клапана можно регулировать для снижения выбросов. Традиционно выпускной клапан открывается, и выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной коллектор поршнем, когда он движется вверх. Управляя временем выпускного клапана, инженеры могут контролировать, сколько выхлопных газов остается в цилиндре. Удерживая выпускной клапан открытым немного дольше, цилиндр больше опорожняется и готов к заполнению большим зарядом воздуха/топлива на такте впуска. Закрывая клапан немного раньше, больше выхлопных газов остается в цилиндре, что повышает топливную экономичность. Это обеспечивает более эффективную работу в любых условиях.
Основным фактором, препятствующим широкому использованию этой технологии в серийных автомобилях, является возможность создания экономически эффективного средства управления фазами газораспределения в условиях, внутренних для двигателя. [ требуется цитата ] Двигатель, работающий со скоростью 3000 оборотов в минуту, будет вращать распределительный вал 25 раз в секунду, поэтому события фаз газораспределения должны происходить в точное время, чтобы обеспечить преимущества производительности. Электромагнитные и пневматические бескулачковые приводы клапанов обеспечивают наибольший контроль точной фазы газораспределения, но в 2016 году они не были экономически эффективными для серийных автомобилей. [ требуется цитата ]
История поиска метода переменной продолжительности открытия клапана восходит к эпохе паровых двигателей , когда продолжительность открытия клапана называлась « отсечкой пара ». Клапанный механизм Стефенсона , использовавшийся на ранних паровозах, поддерживал переменную отсечку , то есть изменение времени, в течение которого прекращается подача пара в цилиндры во время рабочего хода.
Ранние подходы к переменной отсечке связывали изменения в отсечке впуска с изменениями в отсечке выпуска. Впуск и отсечка выпуска были разделены с разработкой клапана Корлисса . Они широко использовались в стационарных двигателях с постоянной скоростью и переменной нагрузкой, с отсечкой впуска и, следовательно, крутящим моментом, механически управляемыми центробежным регулятором и отсечными клапанами .
С появлением тарельчатых клапанов появился упрощенный клапанный механизм с использованием распределительного вала . В таких двигателях регулируемая отсечка могла быть достигнута с помощью кулачков переменного профиля, которые смещались вдоль распределительного вала регулятором. [4] Паровые автомобили Serpollet производили очень горячий пар высокого давления, требующий тарельчатых клапанов, и они использовали запатентованный механизм скользящего распределительного вала, который не только изменял отсечку впускного клапана, но и позволял двигателю реверсировать. [5]
Ранний экспериментальный двигатель Clerget V-8 мощностью 200 л. с. 1910-х годов использовал скользящий распредвал для изменения фаз газораспределения [ требуется ссылка ] . Некоторые версии радиального двигателя Bristol Jupiter начала 1920-х годов включали механизм изменения фаз газораспределения, в основном для изменения фаз газораспределения впускных клапанов в связи с более высокими степенями сжатия. [6] Двигатель Lycoming R-7755 имел систему изменения фаз газораспределения, состоящую из двух кулачков, которые мог выбирать пилот. Один для взлета, преследования и ухода, другой для экономичного крейсерского полета.
Желание иметь возможность изменять продолжительность открытия клапана в соответствии со скоростью вращения двигателя впервые стало очевидным в 1920-х годах, когда максимально допустимые пределы оборотов в минуту в целом начали расти. Примерно до этого времени обороты холостого хода двигателя и его рабочие обороты в минуту были очень похожи, что означало, что не было особой необходимости в переменной продолжительности клапана. Первое использование переменной фазы газораспределения было на Cadillac Runabout и Tonneau 1903 года , созданных Алансоном Партриджем Браш Патент 767,794 «ВПУСКНОЙ КЛАПАНОВЫЙ ПРИВОД ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ», поданный 3 августа 1903 года и выданный 16 августа 1904 года. [7] Незадолго до 1919 года Лоуренс Помрой, главный конструктор Vauxhall, спроектировал двигатель объемом 4,4 л для предлагаемой замены существующей модели 30-98, которая должна была называться H-Type. [8] В этом двигателе один верхний распределительный вал должен был двигаться продольно, чтобы позволить зацепляться разным кулачкам распределительного вала. Первые патенты на переменную продолжительность открытия клапана начали появляться в 1920-х годах – например, патент США US patent 1,527,456 .
В 1958 году Porsche подал заявку на немецкий патент, также поданную и опубликованную как британский патент GB861369 в 1959 году. В патенте Porsche использовался качающийся кулачок для увеличения подъема и продолжительности клапана. Десмодромный кулачок приводился в действие толкающим/тянущим стержнем от эксцентрикового вала или наклонной шайбы . Неизвестно, был ли когда-либо изготовлен какой-либо рабочий прототип.
Fiat был первым автопроизводителем, запатентовавшим функциональную автомобильную систему изменения фаз газораспределения, которая включала переменный подъем. Разработанная Джованни Торацца в конце 1960-х годов, система использовала гидравлическое давление для изменения опоры толкателей кулачков (патент США 3,641,988). [9] Гидравлическое давление изменялось в зависимости от частоты вращения двигателя и давления на впуске. Типичное изменение открытия составляло 37%.
Alfa Romeo была первым производителем, который использовал систему изменения фаз газораспределения в серийных автомобилях (патент США 4,231,330). [10] Модели с впрыском топлива Alfa Romeo Spider 1980 года выпуска 2000 года имели механическую систему VVT. Система была разработана инженером Джампаоло Гарсеа в 1970-х годах. [11] Все модели Alfa Romeo Spider с 1983 года и далее использовали электронную систему VVT. [12]
В 1989 году Honda выпустила систему VTEC . [13] В то время как более ранняя система Nissan NVCS изменяет фазировку распредвала, VTEC переключается на отдельный профиль кулачка на высоких оборотах двигателя, чтобы улучшить пиковую мощность. Первым двигателем VTEC, произведенным Honda, был B16A , который устанавливался в Integra , CRX и Civic hatchback, доступных в Японии и Европе. [ необходима цитата ]
В 1992 году Porsche впервые представила VarioCam , которая стала первой системой, обеспечивающей непрерывную регулировку (все предыдущие системы использовали дискретную регулировку). Система была выпущена в Porsche 968 и работала только на впускных клапанах.
Система изменения фаз газораспределения применялась в двигателях мотоциклов, но вплоть до 2004 года считалась бесполезным «технологическим шедевром» из-за увеличения веса системы. [14] С тех пор мотоциклы, оснащенные системой VVT, включали Kawasaki 1400GTR/Concours 14 (2007), Ducati Multistrada 1200 (2015), BMW R1250GS (2019) и Yamaha YZF-R15 V3.0 (2017), Suzuki GSX-R1000R 2017 L7.
Изменяемые фазы газораспределения начали просачиваться в морские двигатели. Морской двигатель VVT от Volvo Penta использует кулачковый фазовращатель, управляемый ECM, который непрерывно изменяет опережение или задержку фаз газораспределения. [15]
В 2007 году компания Caterpillar разработала двигатели C13 и C15 Acert, в которых использовалась технология VVT для снижения выбросов NOx, чтобы избежать использования EGR после требований Агентства по охране окружающей среды 2002 года. [16] [17]
В 2010 году компания Mitsubishi разработала и начала массовое производство своего 4N13 1,8 л DOHC I4, первого в мире дизельного двигателя для легковых автомобилей , оснащенного системой изменения фаз газораспределения. [18] [19]
Производители используют много разных названий для описания своих реализаций различных типов систем изменения фаз газораспределения. Эти названия включают:
Этот метод использует два профиля кулачков с приводом для переключения между профилями (обычно при определенной частоте вращения двигателя). Переключение кулачков также может обеспечить переменный подъем клапана и переменную продолжительность, однако регулировка является дискретной, а не непрерывной.
Первым производственным применением этой системы была система VTEC компании Honda . VTEC изменяет гидравлическое давление для приведения в действие штифта, который фиксирует коромысло с высоким подъемом и большой продолжительностью с соседним коромыслом(ами) с низким подъемом и малой продолжительностью.
Многие серийные системы VVT являются системами фазировки распредвалов , использующими устройство, известное как вариатор, которое изменяет фазу (фаза относится к относительной синхронизации между впускным и выпускным распредвалами, выраженной в виде угловой меры.) распредвала и клапанов. Это позволяет осуществлять непрерывную регулировку синхронизации распредвалов (хотя многие ранние системы использовали только дискретную регулировку), однако продолжительность и подъем не могут быть отрегулированы.
Эти конструкции используют колебательное или качательное движение в части кулачкового выступа, [ необходимо разъяснение ] , которое воздействует на толкатель. Затем этот толкатель открывает и закрывает клапан. Некоторые системы с колебательным кулачком используют обычный кулачковый выступ, в то время как другие используют эксцентриковый кулачковый выступ и соединительный стержень. Принцип аналогичен паровым двигателям, где количество пара, поступающего в цилиндр, регулировалось точкой «отсечки» пара.
Преимущество этой конструкции в том, что регулировка подъема и продолжительности непрерывна. Однако в этих системах подъем пропорционален продолжительности, поэтому подъем и продолжительность не могут регулироваться отдельно.
Системы с качающимися кулачками BMW ( valvetronic ), [20] Nissan ( VVEL ) и Toyota ( valvematic ) воздействуют только на впускные клапаны.
Системы привода эксцентрикового кулачка работают через механизм эксцентрикового диска , который замедляет и ускоряет угловую скорость кулачкового выступа во время его вращения. Замедление кулачка во время его открытого периода эквивалентно удлинению его продолжительности.
Преимущество этой системы в том, что длительность может изменяться независимо от подъема [21] (однако эта система не изменяет подъем). Недостатком является то, что для каждого цилиндра необходимы два эксцентриковых привода и контроллера (один для впускных клапанов и один для выпускных клапанов), что увеличивает сложность и стоимость.
MG Rover — единственный производитель, выпустивший двигатели, использующие эту систему. [ необходима цитата ]
Эта система состоит из кулачкового выступа, который изменяется по длине [22] (похож на форму конуса). Один конец кулачкового выступа имеет профиль с короткой продолжительностью/уменьшенным подъемом, а другой конец имеет профиль с большей продолжительностью/большим подъемом. Между ними выступ обеспечивает плавный переход между этими двумя профилями. Смещая область кулачкового выступа, которая находится в контакте с толкателем, можно непрерывно изменять подъем и продолжительность. Это достигается путем перемещения распределительного вала в осевом направлении (скольжения его по двигателю), так что неподвижный толкатель подвергается воздействию изменяющегося профиля выступа для создания различных величин подъема и продолжительности. Недостатком этой конструкции является то, что профили кулачка и толкателя должны быть тщательно спроектированы для минимизации контактного напряжения (из-за изменяющегося профиля).
Ferrari обычно ассоциируется с этой системой, [23] [24] однако неизвестно, использовалась ли эта система в каких-либо серийных моделях на сегодняшний день.
Насколько известно, эта система не используется ни в одном серийном двигателе.
Он состоит из двух (близко расположенных) параллельных распределительных валов с поворотным толкателем, который охватывает оба распределительных вала и на который одновременно воздействуют два кулачка. Каждый распределительный вал имеет фазирующий механизм, который позволяет регулировать его угловое положение относительно коленчатого вала двигателя. Один лепесток управляет открытием клапана, а другой управляет закрытием того же клапана, поэтому переменная продолжительность достигается за счет интервала между этими двумя событиями.
К недостаткам данной конструкции можно отнести:
Насколько известно, эта система не используется ни в одном серийном двигателе.
Принцип работы заключается в том, что один толкатель охватывает пару близко расположенных кулачков. До углового предела радиуса носика толкатель «видит» объединенную поверхность двух кулачков как непрерывную гладкую поверхность. Когда кулачки точно выровнены, длительность минимальна (и равна длительности каждого кулачка в отдельности), а когда они находятся в крайней степени их несовпадения, длительность максимальна. Основное ограничение схемы заключается в том, что возможно только изменение длительности, равное истинному радиусу носика кулачка (в градусах распределительного вала или в два раза больше этого значения в градусах коленчатого вала). На практике этот тип переменного кулачка имеет максимальный диапазон изменения длительности около сорока градусов коленчатого вала.
Это принцип, лежащий в основе, по-видимому, самого первого предложения по изменяемым кулачкам, появившегося в патентных файлах USPTO в 1925 году (1527456). «Клапанный вал Клемсона» относится к этому типу. [28]
Также известная как «комбинированный двухвальный коаксиальный комбинированный профиль с винтовым движением», эта система, как известно, не используется ни в одном серийном двигателе. [29] [30] [31] [32]
Он имеет схожий принцип с предыдущим типом и может использовать тот же профиль лепестка базовой продолжительности. Однако вместо вращения в одной плоскости регулировка является как осевой, так и вращательной, что придает его движению винтовой или трехмерный аспект. Это движение преодолевает ограниченный диапазон продолжительности в предыдущем типе. Диапазон продолжительности теоретически неограничен, но обычно составляет порядка ста градусов коленчатого вала, что достаточно для покрытия большинства ситуаций.
Сообщается, что изготовление кулачка является сложным и дорогим, требует очень точной винтовой обработки и тщательной сборки.
Конструкции двигателей, не использующие распределительный вал для управления клапанами, обладают большей гибкостью в достижении изменяемых фаз газораспределения и изменяемого подъема клапанов . Единственным серийным автомобилем, использующим конструкцию без распределительного вала, на данный момент является Koenigsegg Gemera .
Эта система использует моторное смазочное масло для управления закрытием впускного клапана. Механизм открытия впускного клапана включает толкатель клапана и поршень внутри камеры. Имеется электромагнитный клапан, управляемый системой управления двигателем, который активируется и подает масло через обратный клапан во время подъема кулачка, и масло заполняется в камере, а обратный канал в поддон картера блокируется толкателем клапана. Во время движения кулачка вниз в определенный момент обратный канал открывается, и давление масла сбрасывается в поддон картера двигателя.
