Что такое фазорегулятор в двигателе: устройство и принцип работы фазовращателя

Фазовращатель – это элемент газораспределительного механизма двигателя. Фактически, под понятием фазовращателя следует понимать специальную муфту, которая установлена на распределительном валу ГРМ. Основная задача – изменение фаз газораспределения для достижения максимально эффективной работы двигателя на разных режимах и оборотах. Фазы изменяются за счет того, что муфта немного проворачивает распределительный вал.

На разных моторах система может иметь как одну муфту, установленную на впускном или выпускном валу, так и две. Во втором случае фазовращатели стоят как на впускном, так и на выпускном валу.

При этом сегодня под понятие фазовращателя нередко подпадают и другие решения, которые представляют собой систему изменения фаз газораспределения. Дело в том, что разные автопроизводители реализовали задачу изменения фаз газораспределения как за счет установки муфт на распредвалы, так и при помощи других конструктивных решений. Подробнее читайте в нашей статье.

Зачем нужно изменять фазы газораспределения

Газообмен напрямую влияет на производительность двигателя и целый ряд важных показателей во время его работы. Фаза газораспределения — это период от того момента, когда клапан открыт, до момента, когда клапан закрыт. Еще фазы могут называться окнами. Выражается фаза в градусах поворота коленвала.

Фактически, газообмен в двигателе означает наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью и последующее удаление отработавших газов из цилиндра. Регулирует данные процессы ГРМ. Не вдаваясь в подробности, долгое время на моторах использовался самый простой тип ГРМ – один распредвал и два клапана на цилиндр (впускной и выпускной).   

Далее, в процессе эволюции двигателей внутреннего сгорания, механизм газораспределения получил больше клапанов на цилиндр, а также отдельные распределительные валы для впускных и выпускных клапанов. Позже на моторах также появились фазовращатели (фазорегулятор). Необходимость их установки возникла по причине того, что на разных режимах работы двигателя газообмен протекает по-разному.

Если двигатель работает на холостом ходу, частота вращения коленчатого вала не высокая, количество поступающей в цилиндры смеси минимально, отработавших газов также не много. В таком режиме фазы газораспределения оптимально сужать, перекрытие клапанов (одновременное открытие впускного и выпускного клапана) также должно быть минимальным. Это позволяет как минимизировать частичное попадание поступившей смеси в выпуск, так и отработавших газов во впуск.    

С ростом оборотов в цилиндры поступает больше смеси, увеличивается объем отработавших газов. Чтобы эффективнее наполнять, а также вентилировать цилиндры, нужные более широкие фазы газораспределения. С учетом того, что распределительный вал имеет «кулачки», которые толкают клапан на открытие при  вращении распредвала, каким-либо образом эффективно изменять фазы с учетом разных режимов работы мотора при такой конструкции не получится. 

По этой причине на моторах без возможности динамично изменять фазы газораспределения, кулачки распредвала изготавливаются таким образом, чтобы  добиться средних показателей в плане мощности и экономичности двигателя на разных оборотах (низкие, средние, высокие).

Если же сдвинуть валы и сделать кулачки так, чтобы ГРМ изначально был настроен под узкие фазы (так называемые «низовые» валы), двигатель будет хорошо работать на низких и начально-средних оборотах, однако не выйдет на полную мощность при увеличении частоты вращения коленвала. В  свою очередь, расширение фаз («верховые» валы) заметно снизит эффективность работы мотора на низких и средних оборотах, при этом только после выхода на высокие обороты отдача от двигателя будет оптимальной.

Установка фазовращателей позволила реализовать возможность гибкой регулировки фаз газораспределения  с учетом всего диапазона оборотов. В свою очередь, такая система дала возможность значительно  улучшить эффективность работы мотора как на низких и средних оборотах, так и на высоких. Двигатель с такой системой стал более экономичным и одновременно более «приемистым» и производительным. 

Устройство и принцип работы фазовращателя

Распредвал с фазовращателем означает, что на конце такого распределительного вала дополнительно устанавливаются муфты с гидравлическим или электронным управлением. Получается, распредвал приводится от ремня или цепи ГРМ не напрямую, а через муфту фазовращателя.

Это позволяет немного сдвигать распределительный вал, что и приводит к изменению времени открытия или закрытия клапанов (фазы газораспределения). Фазовращатель может стоять как на обоих распредвалах (вал впускных и выпускных клапанов), так и на одном.  На современных моторах управляет работой фазовращателей ЭБУ, основываясь на показаниях целой группы датчиков (ДПКВ, датчик скорости, ДПДЗ и т.д.).

Фазовращатели  работают за счет гидравлики, то есть, подключены к системе смазки двигателя. Рабочей жидкостью является моторное масло. Такой тип фазорегулятора называется электрогидравлическим. Также есть решения, которые работают только за счет электрического привода.

• Для простоты понимания, рассмотрим муфту фазорегулятора электрогидравлического типа. Внутри зубчатого шкива, установленного на распределительном валу, есть крыльчатка с лопатками и цилиндр с камерами.

Такая муфта установлена на ГБЦ, при этом в самой головке блока сделаны каналы для подачи масла в фазорегулятор. Подача масла на муфту фазовращателя регулируется за счет электрогидравлических распределителей в ГБЦ.

Когда электронный блок управления подает команду на электромагнитный клапан, масло под давлением поступает в фазорегулятор по центральному каналу в распределительном валу.  Далее масло давит на плунжер, после чего освобождается крыльчатка, фазорегулятор за счет давления масла поворачивается, тем самым изменяется положение распределительного вала.

После того, как напряжение на клапане пропадает, лопатки крыльчатки под действием вращения двигателя возвращаются в начальное положение, плунжер блокирует систему и распредвал возвращается в исходное положение. Таким образом, удается получить лучший крутящий момент на низких оборотах, а также максимальную мощность на высоких оборотах.

1. В целом, в режиме холостого хода фазорегулятор обеспечивает более позднее открытие и закрытие клапанов, что минимизирует количество отработавших газов. В результате двигатель устойчиво работает на холостом ходу, расход топлива в режиме холостых оборотов сведен к минимуму.  
2. На средних и высоких оборотах необходимо получить максимальную мощность, для чего вал проворачивается так, чтобы реализовать позднее открытие выпускных клапанов (сохраняется давление газов при рабочем ходе поршня). Впускные клапана открываются тогда, когда поршень находится в верхней мертвой точке, закрываются после достижения нижней мертвой точки. Результат — улучшенное наполнение цилиндров.

Если просто, для получения максимального крутящего момента,  нужно наиболее эффективное наполнение цилиндров (для этого требуется раньше открывать и позже закрывать впускные клапана), при этом важно удержать смесь в цилиндре, не допуская ее выхода в коллектор. Что касается выпускных клапанов, реализуется их закрытие уже до момента, когда поршень дойдет до верхней мертвой точки. Это необходимо для создания дополнительного давления в цилиндре.

Надежность фазорегуляторов ГРМ

Следует отметить, что гидравлические системы сильно зависят от качества и давления масла, а также чистоты самой системы смазки двигателя. Что касается электрических приводов, со временем может происходить износ сервомеханизмов. В любом случае, фазовращатели (при условии соблюдения всех рекомендаций) отличаются достаточно большим сроком службы.    

При этом важно понимать, что современные системы, кроме смещения самих фаз, также могут расширять или сужать такие фазы. Это значит, что в целом системы изменения фаз газораспределения стали намного сложнее, чем решения с одним или двумя фазорегуляторами на распределительных валах.  

При этом надежность таких систем может отличаться. Например, система VTEC (система дополнительного подъема клапана за счет совмещенных кулачков при высоких оборотах мотора) от Honda достаточно надежна. В сочетании с обычными фазовращателями такое решение позволяет  эффективно менять фазы и повысить мощность мотора на высоких оборотах. Кстати, подобную схему сегодня активно использует не только Honda, но и многие другие автопроизводители.

В свою очередь, ряд других автопроизводителей пошел еще дальше и внедрил системы типа Valvetronic или MultiAir. Так вот, на практике эти системы менее надежны, чем более простой аналог, впервые использованный производителем Honda.

Если коротко, вместо дополнительного кулачка на распредвале для впускных и выпускных клапанов, такая система и вовсе не имеет впускного распределительного вала. Получается, ГРМ здесь одновальный,  то есть один вал управляет работой как впускных, так и выпускных клапанов.

При этом работа с выпускными клапанами реализована классическим способом (через кулачки). С впускными клапанами распредвал взаимодействует через особую электрогидравлическую систему. На валу выполнены кулачки, которые при этом толкают не сами впускные клапана, а специальные поршни.

Рекомендуем также прочитать статью о том, почему образуется нагар на клапанах. Из этой статьи вы узнаете об основных причинах повышенного нагарообразования, а также на каких двигателях и почему нагар на клапанах образуется быстрее, а также как почистить клапана от нагара.

Далее через поршень усилие передается на электромагнитный клапан, который заставляет срабатывать гидравлические цилиндры. В свою очередь, эти цилиндры открывают и закрывают клапан в нужный момент, тем самым регулируя фазы.

Само собой, чем сложнее решение, тем зачастую ниже оказывается его надежность и ресурс. По этой причине самым надежным можно считать относительно простой ГРМ, который имеет только один фазовращатель на выпускном валу. Также  достаточно неплохо зарекомендовала себя конструкция от Honda, где фазорегуляторы на валах дополнены системой VTEC. То же самое можно сказать об аналогах от других производителей, использующих подобную схему.

Что касается других систем, надежность таких ГРМ с возможностью изменять фазы газораспределения сильно зависит от условий эксплуатации, качества обслуживания, а также общего состояния мотора, электрооборудования и т.д.

Что в итоге

Как видно, наличие фазовращателей позволяет сделать двигатель более мощным и экономичным независимо от режимов его работы. Фазорегулятор на отдельных двигателях позволяет увеличить мощность, в среднем, на 10-15%, также двигатель с возможностью  изменять фазы газораспределения хорошо тянет как на «низах», так и в режиме средних и высоких оборотов.

По этой причине практически каждый современный мотор имеет фазорегулятор, что позволяет получать хорошие динамические показатели, ровную и стабильную полку крутящего момента в широком диапазоне доступных оборотов.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что лучше, турбина или компрессор. Из этой статьи вы узнаете об основных отличиях, а также устройстве и принципах работы компрессорного двигателя автомобиля.

В сочетании с другими решениями (увеличение количества клапанов на цилиндр, прямой впрыск топлива, установка турбонаддува, повышение степени сжатия, использование коллекторов с изменяемой геометрией и т.д.) современный двигатель стал заметно производительнее и одновременно экономичнее по сравнению с аналогами, оснащенными простым распределенным впрыском, а также ГРМ без возможности регулировки фаз газораспределения.

Источник