Система изменения фаз газораспределения (, VVT) в двигателях внутреннего сгорания предназначена для изменения времени открытия клапанов и часто применяется для улучшения показателей эффективности, экономичности и токсичности. Система все более часто используется совместно с системой изменения высоты подъёма клапанов. Изменение фаз газораспределения может достигаться разными способами: полностью механическим, электро-гидравлическим и при конструкции двигателей без использования кулачков. Одной из причин внедрения автопроизводителями систем изменения фаз газораспределения является законодательное ужесточение норм токсичности.
Описание Клапаны в двигателях внутреннего сгорания используются для управления потоками газов, втекающих и истекающих из камеры сгорания. Момент смены состояния клапана (открытие или закрытие), продолжительность нахождения в одном состоянии и высота подъёма этих клапанов в высокой степени оказывают влияние на эффективность двигателя. Без установки системы изменения фаз газораспределения или системы изменения высоты подъёма клапанов момент смены состояния этих клапанов будет независим от скорости и условий работы двигателя, что предполагает усреднённую настройку таких параметровWu, B. (2007). A simulation-based approach for developing optimal calibrations for engines with variable valve actuation. Oil and Gas Science and Technology, 62(4), 539—553.. Система изменения фаз газораспределения позволяет избавиться от этого ограничения, позволяя улучшить эффективность во всем рабочем диапазоне двигателя.
В поршневых двигателях обычно клапаны приводятся в действие посредством распределительного вала. Кулачки открывают (поднимают) клапана на определённый промежуток времени (длительность) во время каждого цикла впуска и выпуска. Момент открытия и закрытия клапанов важен и зависит от положения коленчатого вала. Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала посредством приводного ремня, цепи или зубчатой передачи.
Для работы на высоких оборотах двигателю требуется большой объём воздуха. Однако в таком случае впускные клапана могут закрыться раньше, прежде чем в камеру сгорания поступит необходимое количество воздуха, что снижает эффективность. С другой стороны, при оборудовании двигателя распределительным валом, позволяющим клапанам дольше оставаться открытыми, например, при установке спортивных модификаций кулачков, двигатель будет испытывать проблемы при работе на низких оборотах. Открытие впускных клапанов до закрытия выпускных может приводить к выбросу не сгоревшего топлива из двигателя, что снижает эффективность двигателя и увеличивает токсичность.
Ранние системы изменения фаз газораспределения имели дискретный (ступенчатый) принцип действия. Например, одна настройка момента открытия и закрытия клапанов при работе двигателя на скорости ниже 3500 мин−1, вторая настройка — при работе двигателя на скорости выше 3500 мин−1. Более современные системы производят плавную (бесступенчатую) регулировку момента открытия и закрытия клапанов. Такие системы позволяют производить оптимальную настройку механизма газораспределения для любых скоростей и условий работы двигателяHong, H. (2004). Review and analysis of variable valve timing strategies — eight ways to approach. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 218(10), 1179—1200..
Одной из простейших реализаций системы изменения фаз газораспределения является система сдвига фаз, при которой распределительный вал может быть повёрнут на некоторый угол вперёд или назад относительно положения коленчатого вала. При этом клапана закрываются и открываются раньше или позже, однако высота подъёма клапанов и длительность открытия и закрытия остаются неизменны. Для возможности регулировки длительности в системе изменения фаз газораспределения требуется внедрение более сложных механизмов, включающих, например, несколько кулачковых профилей или колеблющиеся кулачки.
Достигаемые результаты Позднее закрытие впускных клапанов (). Первыми реализациями изменения момента закрытия клапанов были системы, позволяющие оставлять клапан открытым дольше, чем в двигателе, не оборудованном такой системой. В результате был достигнут эффект выталкивания воздуха из цилиндра во впускной коллектор во время цикла сжатия. Вытесненный из цилиндра воздух повышает давление во впускном коллекторе, вследствие чего при следующем открытии впускного клапана воздух в цилиндр будет подаваться под бо́льшим давлением. В результате внедрения позднего закрытия выпускных (или впускных?) клапанов достигается снижение потерь до 40 % во впускном тракте, а также снижение выбросов оксидов азота (NOx) до 24 %. Максимальный крутящий момент двигателя при этом снижается приблизительно на 1 %, а выбросы углеводородов не изменяются.
Раннее закрытие впускных клапанов (). Другим способом снижения потерь во впускном тракте, применимым на малых скоростях работы двигателя, является создание высокого разрежения во впускном коллекторе, используя раннее закрытие впускных клапанов. Для достижения этого впускные клапаны должны закрываться в ходе цикла впуска. При малой загрузке потребности двигателя в топливо-воздушной смеси небольшие, однако достаточно высоки требования к наполнению ей цилиндров, что возможно достигнуть внедрением раннего закрытия впускных клапанов. Исследования показали, что на двигателях с ранним закрытием впускных клапанов наблюдается снижение потерь во впускном тракте до 40 %, а также увеличение экономичности до 7 %. Также наблюдается снижение выбросов оксидов азота до 24 % в режимах с частичной нагрузкой. Возможной негативной стороной внедрения раннего закрытия впускных клапанов является существенное снижение температуры в камере сгорания, что может вызвать увеличение выбросов углеводородов.
Раннее открытие впускных клапанов (). Ранее открытие впускных клапанов является способом существенного уменьшения токсичности. В традиционном двигателе для управления температурой в цилиндрах используется процесс, известный как перекрытие клапанов. При раннем открытии впускных клапанов часть выхлопных газов, перетекая через впускной клапан, попадает во впускной коллектор, где быстро охлаждается. При впуске инертные отработанные газы в значительной степени заполнят цилиндр, благодаря чему достигается снижение температуры в цилиндре и уменьшение выбросов оксидов азота. Также раннее открытие впускных клапанов улучшает объёмную эффективность, поскольку объём выброса отработанных газов уменьшается в ходе цикла выпуска.
Раннее и позднее закрытие выпускных клапанов (). Внедрение этих систем позволяет достигать уменьшения токсичности. В традиционном двигателе на цикле выпуска движением поршня отработанные газы выталкиваются в выпускной коллектор и далее в выхлопную систему. Посредством раннего и позднего закрытия выпускных клапанов возможно управлять объёмом отработанных газов, остающихся в цилиндре. Оставляя клапан открытым дольше обычного, достигается более полное его очищение от отработанных газов и заполнение цилиндра бо́льшим объёмом свежей топливо-воздушной смеси. При раннем закрытии выпускных клапанов в цилиндре остаётся больше отработанных газов, благодаря чему увеличивается экономичность. Система позволяет двигателю сохранять эффективность во всех режимах работы.
Проблемы Основным фактором, препятствующем повсеместному широкому внедрению системы в автомобильной промышленности, является создание экономически эффективных решений по управлению фазами газораспределения в зависимости от условий, имеющихся в двигателе. В двигателе, работающем при 3000 об/мин, распределительный вал должен вращаться со скоростью 25 об/с, таким образом для получения преимуществ моменты открытия и закрытия клапанов должны выбираться очень точно. Электромагнитные и пневматические системы, не использующие кулачки для привода клапанов, позволяют достичь максимальной точности в управлении моментом открытия и закрытия клапанов, однако, по состоянию на 2016 год не существует экономически эффективных реализаций для производителей массовых транспортных средств.
Историческая справка
Паровые двигатели История поиска методов изменения длительности открытия клапанов начитается во времена паровых двигателей, где изменение длительности открытия клапанов известно как «отсечение пара». В ранних паровозах использовался так называемый редуктор Стивенсона, который и осуществлял изменение «отсечения», то есть изменение времени, после которого поступление пара в рабочий цилиндр прекращалось.
Ранние системы изменения «отсечения» соединяли в себе «отсечение» поступающего пара с разными реализациями отсечения отработанного пара. Разъединение этих систем было произведено с разработкой парового двигателя Корлисса. Его принцип был широко использован в стационарных двигателях, работающих на постоянной скорости с различной нагрузкой. В них управление «отсечением» поступающего пара и, как следствие, крутящего момента, осуществлялось центробежным регулятором и запорными клапанами.
После распространения тарельчатых клапанов была внедрена упрощённая система привода клапанов посредством распределительного вала. В подобных двигателях изменение «отсечения» могло быть достигнуто разным профилем кулачков, которые передвигались по распределительному валу регулятором.
Авиация В раннем экспериментальном двигателе V8 разработки фирмы Clerget-Blin, развивавшем 200 л. с., для изменения момента открытия и закрытия клапаном, использовался скользящий распределительный вал. В некоторых видах звездообразных двигателей фирмы Bristol Jupiter начала 1920-х годов также имеется система изменения момента открытия и закрытия клапанов, которая в основном использовалась на впускных клапанах для достижения большей компрессии. В двигателе Lycoming XR-7755 была установлена система изменения фаз газораспределения, состоящая из двух кулачков, которые могли быть выбраны пилотом: один для взлёта, ухода от погони и преследования, другой для экономичных полётов.
Автомобили Желательность наличия системы, позволяющей изменять продолжительность открытия клапанов для его соответствия скорости вращения двигателя, стала очевидной в 1920-х годах, когда предел максимально достижимых рабочих оборотов двигателя стал увеличиваться. К тому времени обороты двигателя на холостом ходу и при его загрузке отличались несущественно, поэтому не было необходимости в изменении длительности открытия клапанов. Незадолго до 1919 года Лоуренс Помрой (), главный конструктор компании Vauxhall, разработал двигатель H-Type объёмом 4,4 л, предназначенный для замены существовавшей в то время модели 30-98. В нём единственный распределительный вал мог перемещаться продольно, что позволяло использовать на нём различные профили. Первые патенты на системы изменения длительности открытия клапанов были выданы в 1920 году, например, патент США .
В 1958 году компания Porsche подала в Германии, а также в Великобритании заявку на патент, который был опубликован под номером GB861369 в 1959 году. Патент Porsche описывал систему с колеблющимися кулачками, которые используются для увеличения высоты подъёма клапанов и времени их открытия. Десмодромные клапана приводятся в действие движущейся вверх-вниз тягой, соединённой с эксцентриковым валом или шайбовым механизмом. Неизвестно, был ли изготовлен хоть один рабочий прототип.
Первой компанией, запатентовавшей практически реализуемую на автомобилях систему изменения момент открытия и закрытия клапанов, включавшую систему изменения высоты подъёма клапанов, была Fiat. В системе, разработанной Джованни Торацца () в конце 1960-х годов, гидравлическое давление использовалось для изменения точки опоры толкателей клапанов (). Гидравлическое давление изменяется в зависимости от скорости работы двигателя и давления воздуха во впускном тракте. Обычное изменение момента открытия было 37 %.