HONDA VTEC: электронная система изменения фаз газораспределения и высоты подъема клапанов

Именно так характеризуют свое детище инженеры компании HONDA, когда говорят о системе VTEC. Аббревиатура VTEC расшифровывается как Variable Valve Timing and Lift Electronic Control, что означает "электронная система изменения фаз газораспределения и высоты подъема клапанов". Как видно из названия, в ее компетенцию непосредственно входит задача регулирования режима работы газораспределительного механизма.

Впервые эту систему компания HONDA стала устанавливать на двигателях болидов "Формулы-1", называемых еще лабораториями на колесах. Дебют серийного автомобиля, оснащаемого двигателем с газораспределительным механизмом VTEC, состоялся в 1989 году. Это была HONDA Integra. Автомобиль имел удивительный двигатель, с которого снимали необыкновенно большую для серийных экземпляров в безнаддувном исполнении литровую мощность в 100 л.с./литр, при этом он характеризовался хорошей тягой на низких оборотах, имел высокие показатели топливной экономичности и низкие показатели токсичности выхлопных газов. По сути дела, инженеры сумели объединить в одном двигателе два диаметрально противоположных подхода в конструировании моторов. От низкооборотного высокомоментного двигателя, использующегося на автомобилях с большой грузоподъемностью, он получил хороший крутящий момент на низах, а от высокооборотного спортивного, развивающего мощность тем большую, чем больше скорость вращения коленчатого вала - высокую мощность. Удачный симбиоз! Это был первый в мире двигатель позволяющий изменять в процессе движения параметры работы газораспределительного механизма, такие как момент открытия/закрытия и высоту подъема клапанов, обеспечивая тем самым автомобилю оптимальные характеристики для ежедневного использования и спортивного режима движения. С разработкой газораспределительного механизма VTEC компания HONDA установила качественно новый стандарт в производстве двигателей внутреннего сгорания.

Каковы же основные принципы работы системы VTEC? Разберем этот вопрос более подробно. Если провести сравнительный анализ внешних скоростных характеристик различных двигателей, то нетрудно заметить, что у одних максимум крутящего момента достигается на низких оборотах (в диапазоне 1800-3000 об/мин), у других - на более высоких (в диапазоне 3000-4500 об/мин). Объясняется данный факт тем, что эффективное наполнение цилиндров топливо-воздушной смесью, а значит и получение высокого крутящего момента, возможно только при определенных оборотах и зависит от конструкции впускного тракта и настройки газораспределительного механизма. Иными словами, темперамент двигателя практически полностью определяется существующими фазами газораспределения, которые задаются профилем кулачков распредвала. Поясним вышесказанное на примере. Представим себе двигатель, который работал бы на оборотах 20 об/мин, соответственно впускные и выпускные клапана задействовались бы 10 раз в минуту, т. е. довольно редко. Для снятия с такого двигателя максимального момента на данных оборотах, впускной клапан должен открываться в самом начале такта всасывания, когда поршень начинает двигаться от ВМТ (верхняя мертвая точка), и закрываться в момент прихода поршня в НМТ (нижняя мертвая точка). Аналогичным образом должен работать и выпускной клапан, т. е. никаких задержек или опережений в работе клапанного механизма не допустимо, иначе крутящий момент упадет. В этом случае наполнение цилиндров свежим зарядом будет наиболее эффективным. Если теперь увеличить частоту вращения коленчатого вала нашего двигателя до 4000 об/мин, впускной и выпускной клапана в этом случае будут открываться и закрываться уже 2000 раз в минуту или 33 раза в секунду, т. е. довольно часто. В таком режиме работы времени на всасывание поршнем свежей порции заряда остается очень мало. К тому же в силу инерции топливо-воздушной смеси только к моменту когда поршень достигнет НМТ ее скорость, а значит и расход через проходное сечение впускных клапанов достигнут максимума, но в этот момент впускной клапан закроется и, таким образом, основная порция свежего заряда не попадет в цилиндры, наткнувшись на преждевременно закрытый клапан - двигатель начнет "задыхаться". В результате мощность, снимаемая с такого мотора, будет весьма незначительна, а максимальные обороты невелики. Это полностью заслуга существующих фаз газораспределения. Можно было бы настроить их совсем по иному, например, для улучшения наполнения цилиндров рабочей смесью на высоких оборотах впускной клапан заставить открываться немного раньше до прихода поршня в ВМТ, а закрываться немного позже после прохода поршнем НМТ. Для улучшения очистки цилиндров от отработавших газов на высоких оборотах выпускной клапан заставить открываться немного раньше до прихода поршня в НМТ, а закрываться немного позже после прохождения им ВМТ. В этом случае пик крутящего момента будет достигаться на более высоких оборотах, а значит и возрастет мощность нашего двигателя. В реальных же условиях производства конструкторы силовых агрегатов вынуждены усреднять регулировку фаз газораспределения как говорят "на все случаи жизни", выбирая при этом определенный профиль кулачков распредвала. Такой подход не является оптимальным. Чтобы мотор работал в условиях максимально приближенных к идеальным на любых оборотах и создана система VTEC. Двигатели HONDA с системой VTEC имеют специальный газораспределительный механизм, распредвал которого имеет различные кулачки для низких и высоких оборотов коленчатого вала двигателя, чем достигается различный момент открытия/закрытия и высота подъема клапанов. Таким образом, обеспечивается стабильность работы на низких и средних оборотах и высокая мощность на высоких. При необходимости система VTEC превращает обыкновенный двигатель пассажирского автомобиля в мощный силовой агрегат, дающий почувствовать себя за штурвалом настоящего спортивного болида.

На сегодняшний день существует несколько разновидностей системы VTEC. Самая первая появившаяся на HONDA Integra называлась DOHC VTEC, затем были созданы SOHC VTEC, SOHC VTEC-E, 3-stage SOHC VTEC, Hyper VTEC. Самая последняя разработка компании в области создания систем управления работой газораспределительного механизма называется i-VTEC, или интеллектуальная система VTEC. Ниже более подробно остановимся на описании конструкции и работы системы DOHC VTEC так как она была первой и позволила получить невиданную для безнаддувных двигателей серийных автомобилей удельную мощность. Кстати, и по сей день по этому показателю двигателям HONDA нет равных во всем мире. Лучшее тому подтверждение 2-литровый двигатель DOHC VTEC спортивного кабриолета S2000, выдающий 125 л.с. с литра рабочего объема, что по праву является абсолютным мировым рекордом.

Основой для конструирования DOHC VTEC и всех последующих систем электронного изменения момента и степени открытия клапанов стал широко применяемый и хорошо зарекомендовавший себя 4-клапанный газораспределительный механизм. Но в отличие от остальных (за исключением Hyper VTEC), в системе DOHC VTEC для каждого ряда клапанов (впускных и выпускных) предусмотрено устройство отдельного распредвала. На каждые два клапана приходиться три кулачка на распределительном валу. Боковые два предназначены для работы двигателя на низких и средних оборотах, центральный - на высоких. Кулачки воздействуют на клапана не непосредственно, а через так называемые рокера, которых тоже три на два клапана. Все три рокера оборудованы гидравлически управляемыми поршеньками, которые при наличии управляющего воздействия сдвигаются и соединяют их в единое целое. Средний рокер оборудован специальной пружиной, которая обеспечивает постоянный контакт кулачка с рокером на низких и средних оборотах. При работе двигателя на малых оборотах рокера не заблокированы и каждый из них совершает независимое движение по закону описываемому соответствующим кулачком. При этом средний кулачок хотя и вращается вместе с остальными, но в работе газораспределительного механизма участия не принимает. Как только двигатель перейдет на режим высоких оборотов, электронный "мозг" системы отдаст команду на исполняющее устройство, в результате давление масла заставит поршеньки в рокерах начать перемещаться, что приведет к блокировке последних. Таким образом, все элементы этой группы станут подконтрольными одному центральному кулачку, который теперь самостоятельно станет управлять работой обоих клапанов.

Система SOHC VTEC, в отличие от рассмотренной выше, имеет один распредвал и используется только для впускных клапанов. Эффективность работы такой конструкции несколько ниже чем у DOHC VTEC, однако она конструктивно более проще и обеспечивает двигателю меньшие габариты и массу.

Основная задача, ставившаяся при создании системы SOHC VTEC-E, была максимально снизить расход топлива и улучшить экологические показатели работы двигателя. Чего, собственно говоря, и достигли. Достигли за счет того, что на малых оборотах двигатель работает на обедненной топливо-воздушной смеси, которая поступает в его цилиндры только через один впускной клапан. Попав туда рабочая смесь интенсивно завихряется, благодаря чему обеспечивается устойчивое ее сгорание. При увеличении оборотов срабатывает система VTEC и, только тогда, оба клапана начинают совместную работу. Удельная мощность двигателей с этой системой зачастую меньше аналогичных по объему без системы VTEC.

Газораспределительный механизм 3-stage SOHC VTEC представляет собой объединение системы SOHC VTEC и SOHC VTEC-E. В отличие от всех вышеописанных систем эта имеет не два режима работы, а три. В зоне низких оборотов система обеспечивает экономичный режим работы двигателя на обедненной топливо-воздушной смеси. В этом случае используется только один из впускных клапанов. На средних оборотах в работу включается второй клапан, но фазы газораспределения и высота подъема клапанов не изменяются. Двигатель в этом случае реализует высокий крутящий момент. На режиме высоких оборотов оба клапана управляются одним центральным кулачком, отвечающим за снятие с двигателя максимальной мощности.

Система контроля работы газораспределительного механизма Hyper VTEC была разработана специально для установки на 4-тактные мотоциклетные двигатели. Основной ее особенностью является наличие гидравлического привода механизма включения в работу клапанов, что позволяет избавиться от необходимости установки дополнительного ряда коромысел (рокеров) и обеспечить непосредственное взаимодействие кулачков распредвала с толкателями клапанов. На малых и средних оборотах работают по одному из двух впускных и выпускных клапанов, приходящихся на цилиндр. По мере увеличения числа оборотов в работу подключаются еще два клапана, тем самым удовлетворяя возрастающую потребность двигателя в эффективном наполнении его цилиндров горючей смесью на высоких оборотах.

Конструкция нового газораспределительного механизма i-VTEC предполагает использование помимо основной системы VTEC дополнительную систему VTC (Variable Timing Control), непрерывно регулирующую момент начала открытия впускных клапанов. Фазы открытия впускных клапанов задаются в зависимости от нагрузки двигателя и регулируются посредством изменения угла установки впускного распределительного вала относительно выпускного. Применение системы VTC на ряду с VTEC позволяет эффективнее наполнять цилиндры двигателя топливо-воздушной смесью, а также улучшить полноту ее сгорания, что выражается в увеличении мощности двигателя на 20 %, крутящего момента на 10 %, снижении расхода топлива и уменьшении вредных выбросов на 10-20 %.