Мотор стал «тупить»? Вот что надо проверить
В поршневом двигателе внутреннего сгорания совмещаются две совершенно разные стихии. Первая — жесткая, металлическая, четко двигающаяся по простейшим законам кинематики механическая часть. Вторая — легкий, почти невесомый, но при этом инерционный поток воздуха или газов.
Многие десятилетия управление потоками воздуха и отработавших газов четко определялось геометрией кулачков распредвала. Моменты открытия и закрытия клапанов — так называемые фазы газораспределения — тоже были жестко заданы шестернями или цепью, которые связывали коленчатый и распределительный валы.
При этом и фазы газораспределения, и профиль кулачков распределительного вала подбирались как компромисс, чтобы двигатель мог удовлетворительно работать и на холостых, и на средних режимах, и на «максималке». Недаром при форсировке двигателей для спорта механики ставили распределительные валы с другими профилем, с большим подъемом клапанов и измененными фазами. Это тоже был компромисс: многие замечали, что двигатели спортивных автомобилей неустойчиво работают на малых оборотах, норовя заглохнуть. Ведь их настоящая жизнь начиналась где-нибудь после 5000 об/мин. Гражданским же автомобилям нужны достойные характеристики во всем диапазоне оборотов.
Самый распространенный способ управления газораспределительным механизмом — фазорегуляторы (фазовращатели). Они сегодня встречаются на подавляющем большинстве двигателей — включая, например, мотор ВАЗ‑21179 объемом 1,8 л.
В общем случае фазовращатель — специальная муфта, которая под действием гидравлики и управляющей электроники поворачивает распределительный вал на определенный угол относительно его первоначального положения. В первую очередь система устанавливается на впуске. Необходимый закон изменения фаз довольно сложный и представлен в виде диаграмм.
ИЗ ИСТОРИИ
В 1987 году Nissan первым применил VCT — Variable Camshaft Timing — на двигателе купе 300ZX. Фазы газораспределения впускного распредвала менялись плавно во всем диапазоне частоты вращения. В 1989 году пошел более сложный, комплексный хондовский VTEC — Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. В переводе на русский — электронная система управления временем открытия и высотой подъема клапанов.
Что требуется обеспечить?
В идеале — правильное наполнение цилиндров. Однако фазорегулятор не может изменить ширину фазы газораспределения: он лишь смещает ее по отношению к коленчатому валу. Ширина фазы газораспределения определяется профилем кулачка — пока будем считать ее неизменной. На диаграммах представлены фазы газораспределения, необходимые на основных режимах.
1. Минимальные обороты холостого хода
Здесь желательно, чтобы количество остаточных газов в цилиндре было минимально. Нужно обеспечить позднее открытие и позднее закрытие впускных клапанов. А выпускной распредвал нужно повернуть в положение, когда выпускные клапаны закрываются задолго до верхней мертвой точки. При этом сокращаются такты сжатия и рабочий ход, стабилизируются сгорание в цилиндрах и равномерность холостого хода.
Выпускной распредвал стоит в столь раннем положении только на холостых. При любых других режимах он переводится в более позднее положение. Поэтому его можно фиксировать всего в двух положениях, а на более простых двигателях вовсе не использовать регулирование фаз на выпуске.
2. Режим небольших нагрузок и оборотов (режим рециркуляции)
Автомобиль движется равномерно и неспешно. Выпускной распредвал должен быть повернут для более позднего открытия и закрытия клапанов.
Для снижения токсичности выхлопа здесь применяется режим рециркуляции отработавших газов. Рециркуляция позволяет снизить температуру рабочего процесса, что уменьшает образование окислов азота.
Наличие фазовращателей позволяет использовать внутреннюю рециркуляцию: впускной клапан открывается очень рано и происходит подмес отработавших газов к свежему заряду. Значит, в этом режиме впускной распредвал надо повернуть в максимально раннее положение. На таком режиме снижаются выбросы вредных веществ и достигается достаточная мощность при низком расходе топлива.
3. На максимальном крутящем моменте
Педаль газа нажата до упора, а обороты еще сравнительно невелики. Двигатель должен показать всё, на что он способен, — о рециркуляции речь уже не идет. Поэтому впускной клапан нужно открывать немного позже. Перекрытие клапанов минимально. Это обеспечивает максимальное наполнение цилиндра воздухом. А получается такой режим небольшим доворотом впускного распредвала в сторону запаздывания.
4. На максимальной мощности
Педаль газа нажата до упора, обороты выросли до номинальных. Скорость потоков, как воздуха, так и отработавших газов, — максимальна. Впускной клапан нужно открывать немного позже верхней мертвой точки и закрывать относительно поздно после нижней мертвой точки. Впускной распредвал надо повернуть в довольно позднее положение, но всё же не в такое, как на режиме холостого хода. При этом энергия быстрого потока во впускной системе позволит дозаряжать воздухом цилиндр и снимать максимальную мощность.
Выводы
Управлять фазами на выпуске необходимо только для обеспечения режимов минимальных оборотов холостого хода и близких к ним. Поэтому многие недорогие моторы обходятся без фазовращателя на выпускном распредвале.
На впуске нужно обеспечить работу фазовращателя на нескольких углах — то есть более тонкую и плавную регулировку. Для этого требуется подача масла в управляющие полости фазорегулятора с помощью клапана, контролируемого ЭБУ с помощью ШИМ-регулятора (широтно-импульсной модуляции).
Фазорегулятор состоит из двух основных частей, которые могут поворачиваться друг относительно друга на определенный угол. Достигается это подачей масла из системы смазки под давлением через управляющий клапан. Подачей масла в ту или другую полость достигается доворот распредвала по отношении к шестерне, связанной цепью или ремнем с коленчатым валом.
Диагностика
Неисправность фазорегулятора приводит к неприятному треску, который хорошо слышен на непрогретом моторе. Следствие — плохая реакция мотора на педаль газа. При этом обычно загорается сигнал Check Engine.
Зачем менять фазы газораспределения
Задача механизма газораспределения — обеспечить наивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения, зависит экономичность мотора, мощность и развиваемый момент.
Качество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.
В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.
В большинстве современных двигателей фазы меняться не могут. И работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопа) в цилиндре, а также во впускном и выпускном трактах меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.
Так, например, для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.
При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.
Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Вот так задачка!
Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими.
А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них — применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.
Но неуёмные инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами. Например, в тойотовской системе после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.
Изменять момент и продолжительность открытия — это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).
Чем вредна заслонка? Она ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно приводит? К большой инертности разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшению качества наполнения цилиндра свежим зарядом, снижению отдачи и уменьшению скорости отклика на нажатие педали газа.
Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения нужного наполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По разным данным, экономия от применения системы бездроссельного управления может составлять от 8% до 15%, прирост мощности и момента в пределах %. Но и это не последний рубеж.
Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.
В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы — прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?
Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это — уже совсем другой разговор.
Выбор распредвала. Фазы, подъём, профиль кулачков
Распредвал впускает рабочую смесь в двигатель и выпускает отработавшие газы. Распредвалы отличаются высотой кулачка, его профилем (он может быть острым, круглым или "квадратным"), и фазой открытия клапана.
В стандартном моторе ВАЗ с 16 клапанами распредвал открывает клапаны на 7.6 мм на впуске, и столько же на выпуске. Фаза открытия клапанов 256 градуса. Такие распредвалы дают на моторе объёмом 1.5 литра мощность в 91 лошадиную силу.
Фаза открытия достаточно большая, но подъём расчитан на тягу с низких оборотов. На заводе уделили больше внимания городской езде, и максимальная мощность и скорость стандартного автомобиля искуственно ограничена в угоду неспешной езде и стоянию в пробках. 16 клапанный мотор имеет огромный скрытый потенциал для увеличения мощности, высота подъёма клапана может доходить до 14 мм, почти в 2 раза больше, чем на стандартном. Увеличение кулачков распредвала не только увеличивает мощность, но и максимальную скорость.
Почему же у стандартного мотора максимальные обороты 5500? Мощность двигателя увеличивается с увеличением оборотов, потому что за один оборот мотор "съедает" фиксированное количество рабочей смеси ( воздух с топливом). Таким образом если на 3000 оборотах мотор выдаёт 45 лошадиных сил, то на 5500-6000 оборотах он выдаёт 90л/с. Дальнейшей прибавки мощности не происходит.
Почему? Дело в том, что воздух не успевает проходить через клапаны на такой скорости, и дальнейшее увеличение оборотов приводит к падению мощности двигателя. Это называется коэффициент наполнения цилинров, когда двигатель имеет объём 1,5 литра, а за полный цикл способен "всосать" 1,125 л воздуха. Коэффициент наполнения в таком случае 75%, как у стандартного мотора. С ростом оборотов эти значения ещё больше уменьшается, и двигатель теряет мощность.
На спортивных же моторах коэффициент достигает 100%, или даже 120% за счёт динамического наддува (встречный поток воздуха) и продувки цилиндров за счёт инерции уходящих выхлопных газов.
Если ваш автомобиль не служит для перевозки картошки с дачи, и вы хотите оживить его характер, или даже поучавствовать в гонках типа "драгрейсинг", вам нужно расширять дыхательную систему вашего мотора.
Увеличение подъёма клапана и увеличение размера клапана дают почти одинаковый эффект, и позволяют увеличить наполнение цилиндров рабочей смесью. Увеличивается максимальная мощность и скорость автомобиля за счёт сдвигания пика работы мотора в зону высоких оборотов. Но, клапаны нельзя увеличить очень сильно на стандартном моторе, так как для них просто не хватит места. Да, места в нашей камере сгорания действительно маловато
Широкая фаза на распредвалу атмосферных двигателей нужна не только для того, что бы максимально наполнить цилиндры воздухом, и быстрее выпустить отработавшие газы. Когда фаза впуска и фаза выпуска достаточно большие, они накладываются друг на друга, это называется перекрытием клапанов. То есть фаза выпуска ещё не завершена, а уже открывается впускной клапан.
На стандартном распредвале перекрытия почти нет, это обеспечивает хорошую тягу на низких оборотах. На высокофорсированных моторах перекрытие достигает несколько десятков градусов. Это нужно для того, что бы использовать инерцию вылетающих отработавших газов для заполнения цилиндров свежей смесью. Дело в том, что в конце такта выпуска выхлопные газы со скоростью звука "комом" двигаются по выпускным трубам, создавая эффект поршня, и давление в выпускном коллекторе в определённый момент падает ниже атмосферного. Вот в этот момент и нужно открыть впускной клапан, что бы свежая рабочая смесь заполнила цилиндр. Этот эффект достигается только на высоких оборотах, а на низких оборотах перекрытие клапанов абсолютно бесполезно, даже снижает мощность двигателя.
Распредвал для турбо моторов отличается от спортивных атмосферных распредвалов. На турбо моторе задача стоит так же — наполнить цилиндры как можно большим количеством рабочей смеси, и быстрее выпустить отработавшие газы. На высокофорсированных турбированных двигателях подъём и размер клапана должны обеспечивать проходимость большого количества газов с минимальными усилиями. А с фазами, и перекрытием дела обстоят несколько иначе, чем на атмосферных двигателях.
Как мы уже знаем, перекрытие клапанов на атмо моторе даёт эффект продувки цилиндров, в то время как на турбо моторе наполнение происходит с помощью буста. И если применять распредвалы от "бодрого атмосферника" с широкой фазой, например 316 градусов, то при перекрытии впускного и выпускного клапанов происходит падение эффективности буста, на низких и средних оборотах, и появляется большая "турбояма". Буст начинает работать только в зоне высоких оборотов, и рост мощности не эластичен, а пикообразен.
Поэтому на турбо моторах применяют распредвалы с небольшим перекрытием, как на стандартном моторе, рекомендуемая фаза 280 градусов. Подъём и размер клапана желательно использовать максимально-возможные для используемой ГБЦ.
Фаза — это момент открытия и закрытия клапанов относительно положения коленчатого вала (КВ). На что влияет увеличение или уменьшение фазы можно понять на примере сравнения процессов в стандартном газораспределительном механизме (ГРМ) и ГРМ с использованием тюнингового распредвала.
В стандартном ГРМ в первом такте работы двигателя впускной клапан открывается сразу же, как только поршень начинает свое движение к НМТ. При использовании тюнингового распредвала с увеличенными фазами газораспределения. В первом такте впуска поршень начинает свое движение к НМТ, а впускной клапан все еще закрыт, и когда в цилиндре образуется достаточное разряжение — впускной клапан открывается и топливно- воздушная смесь буквально врывается в камеру сгорания.
Поскольку при высоких оборотах появляется инертность при заполнении топливно-воздушной смесью камеры сгорания, таким образом, мы увеличиваем скорость наполнения цилиндра, что очень важно при повышенных оборотах.
Теперь рассмотрим фазу выпуска на стандартном распредвале. Дойдя до НМТ, поршень начинает такт вытеснения отработанных газов через выпускной клапан. Выпускной клапан открывается вместе с началом движения поршня и закрывается в конце такта. При использовании тюнингового распредвала с широкими фазами процесс приобретает несколько иной вид. После воспламенения рабочей смеси поршень совершает работу и движется к НМТ.
В конце своего движения работа практически равна нулю, и, что бы ускорить освобождение камеры от выхлопных газов, имеет смысл начать открывать впускной клапан. Что и происходит при использовании тюнингового распредвала.
Перекрытие клапанов — это момент, когда клапан впуска и клапан выпуска одновременно находятся в открытом состоянии, то есть выпускной клапан еще не закрылся, а впускной уже открылся. Поршень в этот момент находится в ВМТ. Одновременное открытие клапанов необходимо для так называемой продувки цилиндра, когда отработанные газы увлекают за собой рабочую смесь через клапан впуска. ( к слову сказать здесь нам может помочь настроенный выпускной коллектор или «паук») Величина перекрытия выражается в мм ( в стандартном ГРМ перекрытия равны практически 0)
Почему распредвалы с большой фазой нестабильно работают на холостом ходу?
Ну, во-первых, при использовании широкофазных валов в начале такта сжатия впускной клапан все еще открыт и часть топливно-воздушной смеси уходит во впускной канал. Во-вторых в конце рабочего хода поршня выпускной клапан уже открыт и давление в цилиндре падает, вместо того что бы совершать полезную работу.
Итак, на основании вышесказанного можно сделать вывод, что распредвалы с большим подъемом и широкой фазой лучше выбирать только для спорта, потому что их установка требует много доработок, и езда в городском режиме очень некомфортна, а постоянное выкручивание двигателя в зону высоких оборотов приводит к уменьшению ресурса. Поэтому для тюнинга можно рекомендовать распредвал с широкой фазой и небольшим подъемом.