Системы изменения фаз газораспределения: сдвиг по фазе

Сейчас тот факт, что на фоне более чем вековой истории автомобиля о системах изменения фаз газораспределения мы знаем всего четверть столетия, выглядит странным. Настолько они вошли в наш обиход. Ну да, у такой «задержки в развитии» были и технологические причины, и просто конструкторам-производителям к этому нужно было прийти. Зато на рубеже 80–90-х годов 100 «лошадок» с одного атмосферного литра хондовских моторов произвели фурор. Причем тот Variable valve Timing and lift Electronic Control, он же VTEC, не просто вдыхал в двигатель новые силы — еще и слыл надежным. Что изменилось теперь?

Сначала немного теории. Известно, что эффективность работы двигателя, так сказать, его базовые характеристики, во многом, если почти не во всем, зависят от правильного газораспределения — грамотного сочетания фаз впуска и выпуска. Иными словами, наполнения топливо-воздушной смесью камеры сгорания и ее очистки от продуктов горения. С самого появления ДВС и до сегодняшнего дня за эти процессы отвечают распределительные валы. Точнее, их кулачки, чей профиль задает не только момент открытия впускных и выпуск клапанов, но и определяет продолжительность этого и величину их хода (высоту подъема). Отрепетированная конструкция, корректировать которую, казалось бы, не имеет никакого смысла. Нет, конечно, мы знаем, что в свое время распредвал располагался в блоке и приводился шестернями. Механизм ГРМ мог быть нижнеклапанным. Валов с каких-то пор в головке цилиндров стало два вместо одного. И привод их по ряду причин менялся: был сперва цепным, потом ременным, после становился снова цепным. Но это не меняло основного принципа работы ГРМ — отсутствия зависимости фаз впуска и выпуска от количества оборотов коленвала.

Игра с впуском и выпуском — это основа настройки двигателя. Сейчас можно говорить, что системы изменения фаз газораспределения — базовые устройства, от которых мотористы вряд ли откажутся

Между тем подобная зависимость для более эффективной работы двигателя принципиальна. Ведь сочетание давления и разрежения во впускном и выпускном трактах зависит от режимов работы. Поэтому, например, на холостых или низких оборотах мотор «просит» нулевого либо минимального перекрытия фаз, то есть ситуации, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. При невысоких оборотах это позволяет не создавать противодавления — попадания выхлопных газов во впускной коллектор. Экономить горючее и быть двигателю экологичнее, не допуская вылета топливо-воздушной смеси в выхлопную трубу. Однако с ростом оборотов экономия/экология должны отходить на второй план — в угоду мощности. А для ее обеспечения длительность перекрытия фаз надо увеличивать, поскольку для лучшей отдачи теперь за единицу времени через камеры сгорания необходимо пропускать как можно большее количество горючей смеси. Об этом хорошо знают в мире спорта, где давно используются «горбатые», на сленге, распредвалы, имеющие более выраженный профиль кулачков. Такие дают более высокий подъем клапанов, длительность их открытия и «широкие» фазы. Однако «на гражданке» подобные валы ни к чему — мотор с ними не будет тянуть «снизу». И в итоге инженерами выбирается некое усредненное значение, относительно оптимальное для всех оборотов.

Правь, Япония, валами... точнее, фазами

Нам неизвестны достоверные факты того, что кто-то научился менять фазы в режиме реального времени, скажем, еще полвека назад или ранее. Наверняка опыты с чем-то подобным велись. Но первое упоминание о серийном использовании относится к 1986 году, когда изменение фаз на впуске получила Alfa Romeo Spider.

Красивая «итальянка» в своем третьем поколении и при рестайлинге 1986 года получила на двухлитровую о паре валов «четверку» электронный впрыск топлива. А вместе с ним — систему изменения фаз газораспределения. Двигатель развивал чуть более 130 сил, о массовом использовании VVT речи не шло…

И все же отцами того, что мы сейчас знаем под обобщенным названием Variable Valve Timing, принято считать инженеров Honda. Причем даже сейчас, когда в подавляющем большинстве моторов есть система, регулирующая фазы, та конструкция, которая была изобретена 26 лет назад, впечатляет своей простотой и эффективностью.

Integra (купе и седан) стала первой моделью Honda, чей 1,6-литровый мотор оснастили механизмом VTEC. В результате вместо привычных уже тогда для компании 100–120 сил установка развивала 160 «лошадей». При этом они не были «размазаны» по всей шкале тахометра, а красная зона начиналась почти с 8500 об/мин

А ведь все, что надо было сделать, это добавить к двум кулачкам третий, более высокий. Им и впускные, и выпускные клапаны управлялись на больших оборотах — от 6200 и выше. Да, фактически у того B16A VTEC работал дискретно — до того «выкл.», потом «вкл.». Зато в двигатель словно вселялся злой дух. Обычный (и вполне экономичный!) на низких и средних оборотах, на «верхах» мотор превращался в зверя. Правда, в 1991 году Honda выпустила менее экстремальную версию своего механизма — так называемый SOHC VTEC. Как следует из названия, он использовался на одновальных агрегатах, причем только на впуске. И хотя машины с ними не обладали взрывным характером, система изменения в этом случае все же добавляла «лошадок». Так, без нее полуторалитровый мотор развивал 100 сил, с ней — 130.

Даже не зная английского, можно понять, как хондовские рокеры соединяли штатные коромысла со средним коромыслом, заставляя оба клапана работать по большому кулачку

Следующим этапом стала система, прямо противоположная первым двум. Видимо, доказав всему миру, на что способны их атмосферные моторы, в Honda решили удивлять экономичностью. SOHC VTEC-E представлял из себя следующее. На два впускных клапана полноценным был только один кулачок. Второе коромысло работало по цилиндрической, кольцевой поверхности вала. Таким образом, на невысоких оборотах один клапан был закрыт. И смесь, попадая в камеру через второй, закручивалась, что улучшало смешивание топлива с воздухом и позволяло мотору питаться обедненным продуктом. Начиная со средних оборотов, оба впускных клапана начинали управляться единственным нормальным кулачком. Как вы понимаете, прироста мощности здесь не было вообще, однако экономические показатели обещались очень хорошие.

Наконец, в конце 1995 года на Civic шестого поколения (двигатель D15B) дебютировала система 3-stage SOHC VTEC. В ней пара впускных клапанов управлялась опять же тремя кулачками, один из которых был, как на VTEC-E, кольцом, второй обычным, третий — высоким. То есть сначала один клапан не работал, потом оба управлялись нормальным кулачком, а затем переходили в режим максимального подъема. Это было сочетание экономичности, тяговитости и небольшого «взрыва» на «верхах». Между тем двухвальные с DOHC VTEC установки к тому времени развивали уже и 185 (B16B), и 200 (B18C), и 220 (H22A) сил.

Наверняка сама технология выполнения распредвалов с разновеликими кулачками была несложная. Другое дело сопутствующие детали и обеспечивающая механизм приводом гидравлика. Предположим, что ради взрывной отдачи на «верхах» многие производители просто не стали городить огород и усложнять устройство головки цилиндров

Нужно отметить, что опыт Honda очень быстро переняли в Mitsubishi, где в 1992 году появился свой аналог подобной системы — MIVEC. Один из двигателей — 1,6-литровый 4G92, устанавливавшийся, например, на Mirage и Lancer — развивал 175 л. с. А вот баварцы пошли по своему пути и тоже первыми массово внедрили свою разработку. В 1992 году на «шестерках» BMW серии M50 дебютировала система изменения фаз, где ими управляли не кулачки — механизмы, расположенные в шестернях ремня ГРМ и поворачивавшие распредвал. Тогда еще только впускных клапанов (VANOS), а с 1996 года и выпускных (double VANOS).

К концу 90-х, и тем более в начале 2000-х, к такому принципу изменения фаз производители начали приходить поголовно. Несмотря на то, что, в отличие от систем подобных VTEC, поворот распредвалов не регулирует ширину фаз (ведь клапаны всегда поднимаются на одну и ту же высоту, и длительность их открытия не меняется), у него есть свои преимущества. Точнее, по принципу работы единственное, но ключевое. Эта система изменяет фазы не ступенчато — постоянно. Ну а самый распространенный механизм представляет собой следующее. На ротор, жестко соединенный с распредвалом, надет корпус муфты, являющийся одновременно шестерней ГРМ. Между тем и другим получаются камеры, в которые по каналам ротора поступает масло. Заполняя их, оно сдвигает ротор относительно корпуса муфты, вращая тем самым и весь распредвал.

На этих рисунках видно, как работает механизм поворота распредвала

В начале прошлого десятилетия появились фазовращатели с электроприводом. Между тем вдобавок к вращению вала не отказались некоторые инженеры (иные даже пришли к этому) от дополнительных высоких кулачков. Мы знаем, что в 2001 году Honda совместила оба принципа изменения фаз, получив свой i-VTEC, впервые примененный на моторах серии K. Toyota тоже «баловалась» добавлением «горбатых» кулачков. Как минимум однажды ее система VVTL-i (где L, Lift, как раз и указывала на регулирование высоты подъема клапанов) использовалась на двигателе 2ZZ-GE, устанавливавшемся на купе Celica. Экспериментировали с «лифтом» и в Audi. На «шестерках» FSI объемом 2,8- и 3,2 л высокие кулачки располагались на впускных валах. У двухлитровых «четверок» TFSI ради лучшей продувки камер сгорания подъем и длительность открытия клапанов осуществлялась на выпускном валу.

Ну а последний «газораспределительный хит» из серийных и относительно распространенных — это бездроссельные системы. Первыми такую представили баварцы в 2001 году (хотя наброски подобного механизма Fiat рассекретил еще в 1972-м), а сейчас она на вооружении у Nissan, Toyota, Fiat и Peugeot. Принцип работы, как видно на видео, в том, что между коромыслом клапана и распредвалом есть промежуточный рычаг. Он, в свою очередь, связан с валом, на котором расположен эксцентрик. И этот дополнительный вал управляется электродвигателем.

Получается подобная системе VTEC регулировка высоты подъема и длительности открытия клапанов. Только не ступенчатая — постоянная. По конструкции могут быть варианты. Так, в BMW электромотор приводит эксцентриковый вал с помощью червячной передачи. У Nissan там механизм типа винт–шариковая гайка. Итальянцы же, будто вспомнив о своих былых заслугах, вообще отказались от механической связи между кулачком и клапаном. Вместо привычных коромысел — гидроцилиндры, которые благодаря изменению давления моторного масла регулируют работу клапанов.

Механизм типа Valvetronic у BMW, VVEL (Variable Valve Event and Lift) у Nissan или Valvematic у Toyota все-таки сложен. Имеет «лишние» детали, которые занимают место в головке блока и добавляют веса. К тому же наверняка потребует дополнительных манипуляций и запчастей при обслуживании/ремонте

На 155-сильном 1,4-литровом турбодвигателе Alfa Romeo MiTo система Multiair работает следующим образом. Единственный распредвал все же приводит выпускные клапаны. Но некое подобие коромысла впускных клапанов воздействует на первый гидроцилиндр. Далее следует электромагнит и индивидуальные для каждого впускного клапана рабочие гидроцилиндры

Придя к бездроссельному газораспределению, производители получили еще один положительный эффект — отсутствие разрежения на впуске, создаваемого заслонкой. Но при этом все-таки не отказались от фазовращателей на валах. Именно сочетание их и бесступенчатой регулировки хода и длительности открытия клапанов позволяет, по оценкам инженеров, обрести 10–15%-процентное снижение расхода топлива и аналогичную прибавку крутящего момента. Наверняка столько же пообещают, когда на производственную сцену выйдут ГРМ без распредвалов, где клапаны полностью перейдут на электронное «обеспечение». Впрочем, ждать этого массово в самое ближайшее время не приходится. Та же Toyota, например, не спешит оборудовать все моторы своим Valvematic`ом. А что же ждать от «традиционных», если такое определение уже уместно, систем изменения фаз?

Бояться не стоит, прислушиваться можно

Роман Гярви, частный мастер, стаж работы более десяти лет

 

— Среди многих автомобильных устройств — современных или появившихся несколько десятилетий назад — системы изменения фаз, пожалуй, наиболее надежные. Обслуживать нет необходимости, ресурс обычно сопоставим с ресурсом мотора, и чтобы вывести их из строя, нужно постараться. Цепи ГРМ растягиваются и иногда даже рвутся чаще, чем бывают проблемы со всеми этими VVT.

Тем не менее в общей массе позитива встречается немного негатива. Скажу о том, с чем сталкивался. Так, на не новых уже агрегатах Toyota от JZ до серий MZ, NZ, ZZ подклинивают гидроклапаны. А вот на V-«образниках» из линейки GR все же выходят из строя.

VANOS брякает. С этим до поры до времени можно мириться, но на каком-то этапе двигатель начинает «чековать» и перестает тянуть на «низах». Нужно менять. На Subaru тоже приходится обращаться к новым деталям, но по другой причине — муфты текут уплотнениями, а отдельно резинки не предлагаются. У моторов FSI и TFSI от VW иная проблема — отворачиваются звездочки только с нагревом, от чего муфту ведет.

Менять ли звездочки ГРМ, в которых находятся муфты, при замене цепи, — решать владельцу. Это дорого и, считаю, нецелесообразно. Выработке подвержена та звездочка, что находится на коленвале. А на верхних обычно почти никакого износа.

Так называемый фазовращатель — достаточно простое устройство, к тому же не нагруженное механически. Поэтому лишь в редких случаях отмечается или даже отмечался его износ. Но чистота масла для муфт и управляющих клапанов принципиальна. Например, на моторах Toyota последних поколений с его заменой нельзя затягивать еще и по причине выхода фазовращателей из строя

От себя добавим, что есть еще установки, в которых системы изменения фаз могут потребовать от владельцев внимания. Например, на 2,5-литровых «четверках» 2AR у Toyota подклинивали муфты, менявшиеся по гарантии. Вольвовская CVVT, точнее, ее управляющий клапан, просит промывки, причем фирменной жидкостью. Иначе отказывает вся муфта. Аналогичный узел реношной системы изменения фаз, по крайней мере, до середины двухтысячных, не требовала чистки — просто изнашивалась задолго до пробегов в 50 тыс. км. Примерно в это же время с тем же симптомом отказывала муфта на фордовских моторах, оснащенных Ti-VCT. При этом речь шла уже о двух фазовращателях — на впуске и выпуске. А самый показательный случай — выход из строя серводвигателя, вращающего промежуточный вал в баварской Valvetronic. Отпущенный срок — около тех же 50 тыс. км. Не исключено, существуют еще какие-то примеры неисправностей муфт и других компонентов, но общей картины это не меняет. Необходимая в современных условиях система, чье наличие, пусть и не ярко, но все же сказывается на ходовых качествах (особенно у тех моторов, которые ее не имели, а потом обрели), не стала в эксплуатации тяжкой обузой. Ведь даже восстановление работоспособности зачастую не так уж дорого. Скажем, б/у фазовращатели могут стоить от 3000 до 10 000 руб. По новым же можно уложиться в 15 000 руб. В том числе если это будет не сама муфта — скажем, электромотор бээмвэшного эксцентрикового вала. Все дешевле, чем разные common rail`ы, direct`ы и «дэпээфы».

1,8-литровый двигатель 2ZZ-GE, развивавший 190 сил, имел и фазовращатели, и дополнительные высокие кулачки. И один дефект на моторах, выпущенных в 2000–02 гг. Срезало болт крепления оси коромысел…