Фазы газораспределения четырёхтактных двигателей

Качество работы двигателя — его коэффициент полезного действия, крутящий момент, экономичность и мощность зависят от разных факторов, в их перечень входит и фазы газораспределения, то есть своевременность закрытия и открытия выпускных и впускных клапанов. В стандартном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапан всегда приводятся в действие кулачком распредвала. Профиль кулачка определяет продолжительность и момент открытия (то есть ширину фазы), а также величину хода клапана.

В большинстве двигателей в современном мире фазы меняться не могут. Работа же таких моторов не отличается эффективностью. Дело в том, что поведение газов (выхлопа и горючей смеси) в цилиндре, а также в выпускном и впускном трактах в зависимости от режимов работы мотора, постоянно меняется. Постоянно возникают разного рода колебания упругой газовой среды, изменяется скорость течения, все это приводит к паразитным застойным явлениям или, наоборот полезным резонансным. Из-за этого эффективность и скорость наполнения цилиндров в различные режимы работы мотора неодинаковы.

В двигателях внутреннего сгорания, фазы газораспределения — это моменты закрытия и открытия выпускных и впускных окон (клапанов). Фазы газораспределения обычно выражают в градусах поворота коленвала и отмечают по отношению к конечным или начальным моментам соответствующих тактов.

Так, к примеру, для работы двигателя на холостом ходу уместны короткие фазы газораспределения с ранним закрытием и поздним открытием клапанов без перекрытия фаз (того времени, когда выпускной и впускной клапаны открыты вместе). От чего так происходит? Потому как, так удаётся исключить заброс во впускной коллектор выхлопных газов и выброс в выхлопную трубу части горючей смеси.

Тюнеры довольно часто мудрят со сдвиганием фаз при помощи сборных звёздочек. Поменяв  штатный распределительный вал, на вал более высокого уровня - «спортивный», с другими фазами, можно добиться неплохой прибавки мощности.

Когда мотор работает на максимальной мощности ситуация в корне меняется. С увеличением оборотов время открытия клапанов естественно сокращается, но для обеспечения мощности и высокого крутящего момента через цилиндры надо прогнать большой объём газов, в сравнение с объемом на холостом ходу. Как решить такую сложную задачу? Увеличивать продолжительность открытия клапанов и открывать их чуть раньше, иными словами, сделать максимально широкими фазы. При этом чтобы цилиндры лучше продувались, фазу перекрытия обычно делают немного шире.

Так что при доводке двигателей или их разработке конструкторам приходится идти на сложные компромиссы и увязывать ряд взаимоисключающих требований. Сами судите. С одинаковыми фиксированными фазами мотор должен обладать хорошей тягой на средних и низких оборотах, и к тому же приемлемой мощностью — на высоких. В добавок к этому у него должна быть устойчивая работа на холостом ходу, он должен быть максимально экологичным и экономичным. Задача?!

Однако конструкторы такие задачи щёлкают как семечки уже давно, они способны при помощи изменения ширины фаз газораспределения и их сдвига менять характеристики мотора до неузнаваемости. Хотите поднять крутящий момент? Пожалуйста. Увеличить мощность? Не проблема. Снизить расход? Тоже сможем. Правда, иногда так получается, что при улучшении нужных показателей приходится ухудшать другие.

А что если научить механизм газораспределения подстраиваться под разные режимы работы двигателя? Легко. Для этого придумано масса способов. Один из которых — применение фазовращателя — специальной муфты, способной под действием гидравлики и управляющей электроники поворачивать распредвал на некоторый угол относительно его начального положения. Наиболее часто такую систему устанавливают на впуске. Муфта проворачивает вал по ходу вращения с повышением оборотов, что влечет за собой раннее открытие впускных клапанов и в итоге — лучшую наполняемость цилиндров на высоких оборотах.

Чем вредна заслонка?

Заслонка ухудшает наполнение цилиндров на средних и низких оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно может привести? К большой инертности разреженной топливовоздушной смеси (газовой среды), снижению отдачи, ухудшению наполнения цилиндра свежим зарядом и уменьшению скорости отклика на нажатие педали акселератора.

Поэтому идеальным было бы открытие впускного клапан только на время, нужное для достижения необходимого наполнения цилиндра горючей жидкостью. Как говорят инженеры, нас спасет только механическая система управления впускных клапанов. В подобных системах продолжительность фазы впуска и, соответственно, высота подъёма изменяются в зависимости от степени нажатия на педаль газа. По различным данным, экономия от применения подобной системы управления может составлять от 10% до 17%, прирост момента и мощности в пределах 5—14%. Но и это не показатель, есть еще куда стремиться.

Несмотря на то, что размеры и количество клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность очищения и наполнения цилиндров можно сделать ещё лучше. За счёт скорости открывания клапанов. Правда, механический привод тут сдаст позиции электромагнитному.

В чём ещё плюсы электромагнитного привода?

В том, что закон подъёма клапана (ускорение в каждый момент времени) можно довести до идеальных показателей, а продолжительность открытия клапанов можно будет менять в очень широких пределах. Согласно прописанной программе электроника время от времени может не открывать ненужные клапаны, а цилиндры вовсе отключать. Зачем это делать? Естественно в целях экономии, к примеру, при торможении двигателем, при движении в установившемся режиме или движении на холостом ходу. Прямо в режиме работы, электрический ГРМ может превратить обычный четырехтактный двигатель в шеститактный.

В завершение хочется сказать, не возможно увеличивать степень эффективности мотора до бесконечности. Не смотря на изменение фаз газораспределения четырёхтактных двигателей, установку на них улучшенного газораспределительного механизма, и т.д.

Будьте осторожны на дорогах!