Изменение высоты кулачка распределительного вала

Изменение высоты подъема клапана может осуществляться изменением высоты кулачка распределительного вала, воздействующего через коромысло на клапан. Такое решение под названием «VTEC-System» применяется фирмой «Хонда». Аббревиатура VTEC полностью расшифровывается следующим образом – Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. В переводе на русский язык – это электронная система управления временем открытия и высотой подъема клапанов. Принципиальная схема этой системы для двигателя с четырьмя клапанами на каждый цилиндр и двумя распределительными валами показана на рисунке:

Рис. Изменение высоты подъема клапана при разной высоте кулачка распределительного вала автомобилей Хонда:
а – положение кулачков распределительного вала при малой частоте вращения коленчатого вала; б – положение кулачков распределительного вала при большой частоте вращения коленчатого вала; 1 – запирающий плунжер в свободном состоянии; 2 – канал подачи масла; 3 – профиль кулачков для низкой частоты вращения коленчатого вала; 4 – основные коромысла; 5 – подача масла; 6 – профиль кулачков для высокой частоты вращения коленчатого вала; 7 – дополнительное коромысло; 8 – запирающий плунжер в рабочем состоянии; 9 – пружинное устройство для подпирания дополнительного коромысла

Переключающий механизм установлен на оси коромысел. Эта система позволяет изменять ход клапана в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (высокая или низкая), а также выключать цилиндры из работы.

Распределительный вал, кроме двух кулачков небольшой высоты 3, имеет посреди них кулачок большой высоты 6 для привода клапанов каждого цилиндра с увеличенным ходом и продолжительностью открытия. Кулачок большой высоты воздействует на дополнительное коромысло 7, которое подпирается специальным пружинным устройством 9. Внутри оси распределительного вала имеется канал 2 подачи масла к запирающему плунжеру, состоящему из двух частей. Подача масла к деталям системы осуществляется по каналу, выполненному внутри распределительного вала. Для создания необходимого давления предусмотрен дополнительный масляный насос, запитывающийся от основной масляной магистрали. Запирающий плунжер состоит из двух поршней, которые могут передвигаться под давлением масла и соединять дополнительное коромысло 7 с основными коромыслами 4. При этом кулачок 6, имеющий большую высоту, чем кулачки 3, воздействуя на дополнительное коромысло 7, соединенное с основными коромыслами 4, открывая клапана на большую величину и увеличивая продолжительность подачи топливовоздушной смеси. При прекращении подачи масла запирающий плунжер под воздействием пружины возвращается в исходное состояние, и дополнительное коромысло отсоединяется от основных.

Переключение на разные частоты вращения коленчатого вала происходит по сигналу блока управления в зависимости от разряжения во впускном трубопроводе, нагрузки, скорости движения автомобиля и температуры двигателя.

Появившись в 1990 году, система VTEC дважды модернизировалась, и в настоящее время имеется ее третья серия, отличительная особенность которой в том, что оптимальное время и величина открытия впускных клапанов подбирается электроникой для трех режимов работы двигателя: на низкой, средней и высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя.

В зоне низкой частоты вращения коленчатого вала система VTEC обеспечивает экономичный режим работы двигателя на обедненной топливно-воздушной смеси. На средней частоте вращения коленчатого вала величина открытия клапанов изменяется так, чтобы получить максимальный крутящий момент. При высокой частоте вращения коленчатого вала клапана открываются на максимальную величину для получения максимальной мощности. В настоящее время система VTEC может регулировать высоту подъема не только впускных, но и выпускных клапанов.

Подобная система применяется и для автомобилей Тойота.

Рис. Изменение высоты подъема клапана автомобилей Тойота: 1 – запирающий плунжер; 2 – цилиндрический толкатель; 3 – скользящий толкатель; 4 – ролик

В этой системе запирающий плунжер 1 может приподнимать цилиндрический толкатель 2, на который в свою очередь опирается скользящий толкатель 3. При низких частотах вращения коленчатого вала, когда клапан должен быть открыт на небольшую высоту, кулачки распределительного вала воздействуют на ролик 4, связанный осью с коромыслом. При этом ход клапана небольшой. При увеличении частоты вращения коленчатого вала по сигналу блока управления масло подается к запирающему плунжеру. Плунжер, передвигаясь, заходит в паз цилиндрического толкателя и жестко связывает скользящий толкатель с коромыслом. Учитывая, что кулачок распределительного вала раньше начинает набегать на скользящий контакт, ход клапана увеличивается. При прекращении подачи масла к запирающему плунжеру, происходит рассоединение скользящего контакта и плунжера, и скользящий контакт работает вхолостую.

Применение этой системы, в отличие от предыдущей, позволяет использовать стандартный распределительный вал с кулачками, одинаковыми по высоте.

Фирма Порше в 2000 году впервые внедрила для своих двигателей с турбонаддувом чашечный толкатель и изменяемой высотой подъема клапана.

Рис. Изменение высоты подъема клапанного механизма с чашечными толкателями автомобилей Порше:
1 – запирающий плунжер; 2 – внешний чашечный толкатель; 3 – внутренний чашечный толкатель; 4 – подшипник для фиксации толкателя от проворачивания; 5 – гидрокомпенсатор

Чашечный толкатель состоит из двух частей – внутреннего 3 и внешнего толкателя 2. На внутренний толкатель воздействует маленький кулачок распределительного вала, обеспечивающий ход клапана 3 мм. На внешний толкатель воздействуют два больших кулачка распределительного вала, обеспечивающих ход клапана 10 мм. Внутренний толкатель работает в том случае, когда запирающий плунжер 1 не соединяет оба толкателя. Если по сигналу блока управления масло подается к запирающему плунжеру, оба толкателя соединяются в одно целое и в этом случае начинает работать внешний толкатель, обеспечивая больший ход клапана на соответствующем режиме.

Система с запирающим плунжером, состоящим из двух частей применяется фирмой Даймлер-Крайслер для отключения цилиндров серийных 8-ми и 12-ти цилиндровых двигателей. Элемент этой системы без распределительного вала представлен на рисунке:

Рис. Устройство выключения цилиндров:
1 – гидротолкатель; 2 – запирающий плунжер; 3 – основное коромысло; 4 – ролик; 5 – дополнительное коромысло; 6 – пружинный элемент

По сигналу электронного блока управления запирающий плунжер 2, может соединять или разъединять дополнительное коромысло 5 с основным 3. Если дополнительное коромысло будет соединено с основным, тогда распределительный вал, набегая на ролик 4, воздействует через запирающий плунжер на основное коромысло, и клапан будет открываться. В случае рассоединения запирающим плунжером обоих коромысел распределительный вал не может воздействовать на основное коромысло, и клапан открываться не будет, таким образом, цилиндр выключается из работы.

Представителем механического привода является система Valvetronic, применяемая на автомобилях БМВ, управляющая подъемом впускных клапанов и дозирующая поступающую в цилиндры рабочую смесь, что позволяет повысить экономичность двигателя без потерь мощности при удовлетворении норм Евро-4 и сохранении системы впрыска во впускной коллектор. Общий вид системы показан на рисунке:

Рис. Система управления подъемом впускных клапанов двигателя Valvetronic БМВ:
1 – электродвигатель; 2 – колесо червячной передачи; 3 ­– пружина рычага; 4 — эксцентриковый управляющий вал; 5 – дополнительный рычаг с роликовой опорой; 6 – распределительный вал; 7 – коромысло; 8 – клапан

Между распределительным валом 6 и каждой парой впускных клапа­нов 8 размещен дополнитель­ный рычаг 5, который крепится на оси. Электродвигатель 1 через червячную передачу поворачивает эксцентриковый управляющий вал 4 на угол, определяемый электронной системой управления.

Клапана открываются непосредственно рычагами 5 с роликовыми опорами при воздействии на коромысла, опирающиеся с одной стороны на клапан, с другой стороны на гидравлический толкатель. Рычаги 5 посредством витых пружин 3 прижимаются к кулачку распределительного вала. Для снижения потерь на трения на осях рычага с роликовой опорой и коромысла установлены игольчатые роликовые подшипники.

При повороте эксцентрикового вала, эксцентрик набегая на рычаг 5, поворачивает его на определенный угол. Перемещая эксцентриковый вал, электродвигатель увеличивает или уменьшает плечо промежуточного рычага, тем самым, удлиняя или укорачивая ход впускных клапанов в соответствии с нагрузкой двигателя. Учитывая, что эксцентрик смещающий ось толкателя, имеет электрический привод, это позволяет задавать угол поворота нелинейным и программировать его индивидуально для каждого двигателя.

Величина открытия клапана изменяется от 0,20 мм (обеспечивая работу на холостом ходу и уменьшая нагрузку на клапан) до 9,7 мм, необходимых для получения максимальной мощности. Высота подъема клапанов, и, соответ­ственно, продолжительность фазы впуска изменяются в за­висимости от нажатия на пе­даль управления подачей топлива, потенциометр которой передает сигнал в блок управления и при этом нет необходимости применять дроссельную за­слонку для изменения количества подаваемого воздуха, хотя она и сохраняется в системе Valvetronic. Она необходима лишь при диагностике системы и на всех режимах работы двигателя заслонка всегда полностью открыта.

Для создания разрежения во впускном коллекторе, необходимом для работы усилителя тормозов, специально устанавливается вакуумный насос.

Площадь, занимаемая установкой механической системы высоты подъема клапана, на головке блока не изменяется, необходимо лишь дополнительное пространство для установки электродвигателя. Эксцентриковый вал, рычажный механизм, распределительный вал крепятся единым модулем на головке блока.

Выпускные клапана в приведенной системе открываются, как и в традиционных системах с помощью распределительного вала и коромысел. В настоящее время фирмой БМВ разработаны системы изменения высоты подъема и для выпускных клапанов.

Проведенные испытания показали, что средний расход топлива двигателем без дроссельной заслонки, на холостом ходу ниже на 18% по сравнению с обычным двигателем, а в наиболее ходовом диапазоне частоты вращения коленчатого вала при частичных нагрузках — 10%. В последнем случае между клапаном и седлом образуется зазор всего в 0,5…2 мм, и проходящий через него воздух полнее смешивается с бензином, образуя более качественную смесь.