Сдвиг по фазе. Часть 2
Вторая часть повествования о регулируемых газораспределительных механизмах посвящена истории создания «хондовских» систем VTEC и их конструкции.
Автомобильный двигатель Honda с системой VTEC был впервые показан на автомобильных выставках 1988 года, а на серийных автомобилях появился годом позже. Высокооборотный мотор В16А с рабочим объемом 1,6 л развивал мощность до 160 л.с./7600 мин-1. Сто «лошадей» с литра для атмосферного двигателя обычного дорожного автомобиля и сегодня более чем достойный показатель. Этот ставший легендарным двигатель устанавливался на некоторые модификации Honda Integra и на «сивики» трех поколений вплоть до 2000 года. Наиболее «крутая» версия мотора, сходившая с конвейера, имела мощность в 185 л.с. А самым совершенным двигателем с системой VTEC стал двигатель родстера S2000, созданного к 50-летию компании Honda. Японским инженерам с 2-литрового атмосферного мотора удалось «снять» 240 л.с., по 120 «лосей» с каждого литра рабочего объема!
Первенец, мотор В16А, оснащался двухваль-ным ГРМ с приводом клапанов через коромысла. Стоит упомянуть, что в двигателях Honda применяются схемы газораспределения как с двумя (DOHC), так и с одним распределительным валом (SOHC). В соответствии с идеологией «хондостроителей» выбор той или иной конструкции определяется требованиями к двигателю. Один распредвал – это примерно на треть меньшие потери на привод газораспределительного механизма по сравнению с двумя. Поэтому одновальными ГРМ оснащаются моторы, для которых приоритетной является экономичность. Максимальная частота вращения таких двигателей умеренна – порядка 6000 мин-1. Схема ГРМ с двумя распределительными валами применяется на двигателях, при разработке которых во главу угла ставится большая литровая мощность. Это высокооборотные моторы, «красная зона» которых начинается далеко за 7000 мин-1. Привод клапанов двумя валами позволяет сократить длину коромысел и снизить суммарный момент инерции деталей ГРМ. Так удается уменьшить опасность разрыва кинематической связи между кулачками распредвала, коромыслами и клапанами при высоких оборотах двигателя без увеличения жесткости клапанных пружин. Вне зависимости от количества распредвалов в конструкции ГРМ автомобильных моторов Honda используются коромысла. Это промежуточное звено между кулачками вала и клапанами – неотъемлемая часть механизма, управляющего работой клапанов.
Устройство VTEC-системы двигателя В16А показано на рис. 1. На обоих распредвалах на каждую пару клапанов (впускных и выпускных) приходится по три кулачка. Крайние кулачки имеют практически одинаковый профиль, резко отличный от профиля среднего. Кулачки воздействуют на контактные поверхности трех коромысел.
На клапаны воздействие передается через крайние коромысла. Среднее коромысло не имеет непосредственной связи с клапанами. В режиме низких и средних оборотов все три коромысла работают независимо друг от друга, так что клапаны приводятся в движение от крайних кулачков распредвала. Среднее коромысло работает «вхолостую». Профиль кулачков обеспечивает узкие фазы газораспределения с малым перекрытием и высотой подъема клапанов. чем достигаются хорошие пусковые характеристики, устойчивая работа в режиме холостого хода и достаточно большой крутящий момент на невысоких оборотах двигателя (рис. 4). Вследствие небольшого отличия в конфигурации кулачков один из впускных клапанов открывается чуть раньше другого, чтобы поступающая в цилиндр топливовоздушная смесь закручивалась по спирали. Такая организация потоков внутри цилиндра способствует лучшему смесеобразованию, что позволяет двигателю работать на более бедных смесях.
На высоких оборотах двигателя механизм переключается. Крайние коромысла жестко соединяются со средним, которое становится ведущим. При этом вся «тройка» переходит на привод от среднего кулачка распредвала. Конфигурация кулачка такова, что фазы газораспределения впускных и выпускных клапанов становятся шире, одновременно возрастают их перекрытие и высота подъема. Улучшение наполнения цилиндров приводит к увеличению крутящего момента и мощности.
Переключение механизма привода клапанов происходит при помощи расположенных внутри коромысел подвижных штифтов (рис. 2). В исходном положении, соответствующем режиму низких оборотов, штифты удерживаются пружиной. При этом коромысла работают независимо друг от друга. Среднее коромысло, лишенное опоры на клапан, поджимается к кулачку дополнительной пружиной. По выходе двигателя на режим высоких оборотов штифты под действием давления масла перемещаются, блокируя крайние коромысла со средним. Теперь все три коромысла двигаются синхронно, «копируя» профиль среднего кулачка. Переключение механизма происходит по команде ЭБУ двигателя (рис. 3). Он подает питание на электромагнитный клапан, при срабатывании которого моторное масло из системы смазки двигателя поступает в канал, просверленный в оси коромысел, а оттуда через боковые отверстия – в коромысла. При снижении оборотов двигателя электромагнитный клапан отключается, подача масла прекращается, и под действием возвратных пружин штифты занимают исходное положение.
При выборе момента переключения помимо частоты вращения ЭБУ учитывает, что переход на работу с широкими фазами возможен только на прогретом двигателе при скорости автомобиля выше установленного значения. Также имеет значение величина разрежения во впускном коллекторе и положение дроссельной заслонки (рис. 5). Например, при полностью открытом дросселе переключение механизма возможно уже при 4800 мин-1. При меньшем угле его открытия момент смены фаз может сдвинуться вплоть до 5300 мин-1.
Рассмотренную конструкцию газораспределительного механизма обычно называют DOHC VTEC. Она используется, как правило, в мощных высокооборотных двигателях. Система DOHC VTEC появилась в период времени, когда в борьбе с конкурентами Honda наряду с надежностью и техническим совершенством двигателей делала ставку на их высокую удельную мощность. Но времена менялись, а вместе с ними менялись и динамика транспортных потоков на городских улицах, и действующее законодательство. В новых условиях на первый план выходят экономичность и непосредственно связанная с ней экологическая чистота двигателей. Повышенное внимание уделяется комфортабельности автомобиля при движении в режиме, характерном для мегаполиса.
Для этого желательно иметь плавную характеристику крутящего момента двигателя в широком диапазоне оборотов. Изменились приоритеты, изменилась и конструкция газораспределительных механизмов.
Как упоминалось, с точки зрения моторостроителей Honda, для получения более высоких показателей экономичности двигателя выгоднее применять ГРМ с одним распределительным валом. Понятно, что и в этом случае наилучших результатов с точки зрения эластичности, литровой мощности и экологии можно достичь, использовав преимущества регулируемого газообмена. Так в начале 1990-х годов появились системы SOHC VTEC. Одним из первых двигателей, на котором была установлена такая система, стал 1,5-литровый мотор D15B, номинальной мощностью порядка 130 л.с. С 1991 года двигатель устанавливался на Honda Civic.
Конструкция VTEC-систем для одновальных ГРМ имеет отличия, которые определяются конструктивными особенностями механизма привода клапанов (рис. 6). В ГБЦ SOHC-двигателей единственный распределительный вал размещается по центру камер сгорания, так что вертикальная ориентация свечей зажигания исключается. В большинстве случаев свечные колодцы располагаются наклонно и проходят между коромыслами выпускных клапанов. По этому признаку можно с большой достоверностью определить тип ГРМ двигателя Honda. В двигателях DOHC колодцы свечей расположены по центру головки блока. Если же они смещены от продольной оси ГБЦ в сторону выпуска – это двигатель SOHC. Такое расположение свечей сделало невозможным управление выпускными клапанами – свеча находится как раз в том месте, где должно быть среднее коромысло механизма. Поэтому в системах SOHC VTEC меняется режим работы только впускных клапанов. Это не является серьезным недостатком, поскольку фазы газораспределения выпускных клапанов влияют на эффективность газообмена в значительно меньшей степени.
Механизм регулирования впускных клапанов устроен и работает аналогично DOCH VTEC. На два впускных клапана приходится три кулачка на распредвале и три коромысла. Для снижения потерь на трение в месте контакта коромысел с кулачками распредвала коромысла снабжены роликами на игольчатых подшипниках. Так же как и в двухвальном варианте, система SOHC VTEC работает в двух режимах. В диапазоне низких оборотов каждый впускной клапан приводится в действие от «своего» кулачка через крайние коромысла. Профиль кулачков выбран таким, чтобы снизить затраты работы на газообмен, улучшить наполнение цилиндров и, как следствие, поднять крутящий момент. При достижении высоких оборотов подвижные штифты блокируют все три коромысла впускных клапанов, и они начинают работать по среднему кулачку. Это обеспечивает широкие фазы газораспределения, большее перекрытие и высоту подъема клапанов, приводящие к дальнейшему росту крутящего момента и мощности. Переключение режимов происходит по команде ЭБУ в зависимости от температуры, частоты вращения, нагрузки на двигатель и скорости автомобиля. О нагрузке система управления судит по сигналу датчика абсолютного давления во впускном коллекторе (МАР-сенсора). При максимальной нагрузке (дроссель открыт полностью, разрежение в коллекторе минимальное) механизм переключается при частоте вращения 4800 мин-1. При частичной нагрузке изменение режима происходит на более высоких оборотах, вплоть до 5500 мин-1.
Практически одновременно с системой SOHC VTEC появилась еще одна версия управляемого ГРМ, также предназначенная для применения в двигателях с одним распределительным валом. Она получила название VTEC-E (рис. 7). Нетрудно догадаться, что фигурирующая в названии буква «Е» означает economy, т.е. «экономичный». Этот вариант конструкции экономичен в двух смыслах. Во-первых, он обеспечивает топливную экономичность, что является основным назначением системы. В области низких оборотов и малых мощностей мотор с системой VTEC-E потребляет меньше топлива, чем аналогичный многоклапанный двигатель. Во-вторых, его применение экономично с точки зрения стоимости. Система VTEC-E устроена проще, чем все прочие механизмы управления клапанами, а значит, дешевле в производстве.
Система VTEC-E управляет работой только впускных клапанов. На распределительном валу для каждой пары впускных клапанов предусмотрено два кулачка, первичный и вторичный. Профиль кулачков «копируют» два коромысла (одно из них с роликом на игольчатых подшипниках) и передают воздействие на стержни клапанов. На режиме малых оборотов коромысла работают независимо. В силу кардинально разной конфигурации кулачков характер работы клапанов резко отличается. Клапан, приводимый в действие от первичного кулачка, имеет нормальную высоту подъема и ширину фазы газораспределения. Другой клапан, работающий от вторичного кулачка, лишь чуть приподнимается над седлом на непродолжительное время. Таким образом, впуск топливовоздушной смеси происходит практически через один клапан. Второй приоткрывается лишь для того, чтобы все топливо, распыляемое форсункой, попадало в цилиндр, а не скапливалось над его тарелкой.
Ранее мы говорили о преимуществах, которые на режимах частичной нагрузки достигаются подачей смеси через один из двух впускных клапанов.
Имеет смысл повторить, что такая организация газообмена приводит к увеличению скорости потока поступающей смеси и ее интенсивному завихрению. Это способствует улучшению смесеобразования, устойчивой работе на бедных смесях и увеличению наполнения цилиндров. Результат – более эффективное использование топлива и, как следствие, уменьшение вредных выбросов в атмосферу. Повышению экономичности также содействует снижение потерь на привод клапанов. Усилие, затрачиваемое на приоткрытие второго клапана, невелико. Поэтому кулачок и коромысло, которые приводят его в действие, – облегченные, «узкие».
Естественно, с одним впускным клапаном далеко не уедешь. Это хорошо видно по кривой крутящего момента, представленной на рис. 8. Если дроссельная заслонка открыта на полную, то уже при частоте вращения 2300 мин-1 нужно включать в работу второй впускной клапан. При умеренном открытии дросселя с одним впускным клапаном можно работать вплоть до 2800 мин-1. Как и в других вариантах, на выбор момента переключения накладывают ограничения скорость движения автомобиля, температура двигателя и величина разрежения во впускном коллекторе.
Для подключения второго клапана коромысла блокируются подвижными штифтами и начинают двигаться совместно. Их перемещение определяется профилем первичного кулачка. Клапан, который до этого момента «сачковал», начинает двигаться синхронно со своим партнером со всеми вытекающими отсюда преимуществами четырехклапанного ГРМ. Таким образом, в системе VTEC-E меняется только число задействованных клапанов, а фазы газораспределения и высота подъема остаются неизменными.
Следующим логичным шагом стало создание конструкции, объединившей достоинства двух предыдущих вариантов. В системе, получившей название NEW VTEC, для управления впускными клапанами используются все те же три кулачка и три коромысла (рис. 9). На малых оборотах система функционирует аналогично VTEC-E – работает только один клапан. Высота подъема, время открытого состояния и перекрытие относительно небольшие, что соответствует экономичному режиму работы двигателя. С ростом оборотов коромысла блокируются, и оба впускных клапана переходят на привод от среднего кулачка. Меняются не только количество задействованных клапанов, но и фазы газораспределения, и высота подъема, и величина перекрытия. При этом характер мотора меняется на более спортивный. Так удается в одном двигателе совместить и экономичность, и высокую удельную мощность. Поскольку тяговые характеристики двигателя в экономичном и спортивном режимах отличаются существенно, момент переключения системы NEW VTEC субъективно ощущается наиболее отчетливо.
В зависимости от режима работы двигателя переключение механизма происходит в диапазоне частот вращения 2300–3200 мин-1.
Мотористов компании Honda часто упрекали в том, что при всех достоинствах VTEC-систем они имели всего два режима работы. Ответ не заставил себя долго ждать – был создан трехрежимный механизм (3-stage VTEC). Он также предназначен для использования в двигателях с одновальным ГРМ. Для получения трех режимов работы впускных клапанов, как и прежде, удалось обойтись тремя кулачками и тремя коромыслами. Изменилась конструкция блокирующего механизма – появилась вторая группа подвижных штифтов. В то время как одна из них блокирует только два крайних коромысла, другая соединяет в единое целое все три. Соответственно, удвоилось количество электромагнитных клапанов, регулирующих подачу масла.
На низких оборотах двигатель работает в экономичном режиме с одним впускным клапаном (идентично VTEC-E). На средних оборотах по команде ЭБУ открывается первый электромагнитный клапан, давление масла перемещает штифты, блокирующие два крайних коромысла. В работу включается второй клапан, оба действуют на узких фазах и с небольшой высотой подъема. Это второй, нормальный режим. С дальнейшим увеличением оборотов двигатель переходит в мощностной режим. Открывается второй электромагнитный клапан, масло поступает ко второй группе штифтов. Штифты соединяют вместе все три коромысла, и клапаны переходят на привод от среднего кулачка. Фазы газораспределения расширяются, высота подъема и перекрытие увеличиваются. Введение промежуточного режима работы клапанного механизма позволило сделать переход от экономичного к мощностному режиму и саму характеристику момента двигателя плавными.
Открыв капот автомобиля, сразу и не скажешь, какой вариант VTEC-механизма установлен на данном двигателе. Моторы с регулируемым ГРМ выдает наличие электромагнитного клапана, установленного на ГБЦ. На двигателях с трехрежимным VTEC клапанов, естественно, два. В зависимости от модели, модификации автомобиля и рынка сбыта, для которого он предназначен, в «голове» одного и того же двигателя могут лежать разные распредвалы и комплекты коромысел. Прямо как в детском конструкторе, инженеры компании Honda из типовых деталей собирают внешне одинаковые, но разные по характеру двигатели.
Продолжение следует
