Как работает vtec: пример на реальном двигателе honda

Нюансы системы

Главная особенность VTEC — возможность сформировать контактный и мощный мотор без использования вспомогательных элементов (к примеру, компрессора или турбины). Плюс таких доработок — простота технологии, что позволяет избежать удорожания. Авто с установленной на них системой VTEC не знают проблем, которые актуальны для турбированных моторов.

Первопроходцем в установке стала компания Хонда, устанавливающая системы VTEC на своих болидах. Со временем новая электроника появилась и на серийных авто, к примеру, на Хонда Интегра. Именно Integra в 1989 году получила мотор, выдающий мощность около 100 «лошадей» всего с одного литра объема. При этом к положительным качествам авто можно было отнести отличную тягу на низких оборотах, реальную экономию и взрывной характер.

Данный мотор был единственным на планете, позволяющим менять ключевые параметры прямо на ходу. Появление VTEC задало тон другим производителям бензиновых моторов и выдало миру совершенно новый стандарт качества.

Принцип действия

Если сравнивать параметры разных моторов, то можно заметить, что у одних наибольший пик момента вращения достигается на минимальных (до 3000), а у других — на максимальных (до 4500) оборотах. Как уже упоминалось, многое зависит от конструкции тракта впуска и настройки каждой конкретной взятой системы ГРМ, а также формы кулачков данного механизма.

Представьте на секунду мотор, который работает с частотой вращения в 20 оборотов в минуту. При этом клапаны выпуска и впуска были бы в работе 10 раз за минуту, то есть максимально редко. Чтобы снять наибольший момент на такой частоте вращения, клапан впуска должен открываться на  начальном этапе такта всасывания — в момент, когда поршень начинает движение от ВМТ (верхняя позиция), а закрываться во время подхода поршня к нижней предельной позиции. Таким же должен быть и клапан выпуска (в противном случае мощность будет падать).

Повышая частоту вращения мотора до 4000 оборотов в минуту, можно добиться открытия и закрытия клапана впуска уже с большей частотой — до 2 тысяч раз за минуту или 33 колебаний за секунду. При такой схеме работы времени на всасывание практически не остается. Лишь к моменту, когда поршень становится в позицию нижней точки скорость движения и расход будут максимальными. Но в этот же момент произойдет закрытие клапана, что не даст главной порции заряда проникнуть в цилиндры из-за рано прикрытого проема. Такая ситуация приводит к «задыханию» силового узла. Итог — снижение мощности и небольшие пиковые обороты.

Настройку можно осуществить и по другому принципу. К примеру, для лучшего наполнения камеры сгорания топливовоздушной смеси клапану впуска дается команда открыться на долю секунды раньше, еще до момента, пока поршень окажется в своей верхней точке. При этом команда на закрытие после прохода поршнем нижней позиции также дается с задержкой. С другой стороны, клапан выпуска будет открываться на доли секунд раньше (до момента достижения поршнем нижней позиции), а запираться, наоборот, уже после достижения верхней точки. В данном случае растет пик момента вращения и как следствие, повышается мощность.

Уже отмечалось, что в реальной ситуации конструкторы вынуждены идти на усреднение параметров регулирования фаз, определяясь с конкретным размером кулачков. Но такой принцип устарел. Разработчики Хонда, благодаря созданию системы VTEC, сумели обойти ограничения. Новые моторы отличаются особым механизмом ГРМ, распределительный вал которого имеет разные по величине кулачки. Как следствие, обеспечивается различные моменты в конкретные временные промежутки, а также меняется высота подъема каждого из клапанов силового узла.

Что в итоге? Благодаря такому совершенствования мотора, последний выдает максимальную стабильность на небольших и средних оборах, и наибольшую мощность при пиковом вращении коленвала. Принцип же усреднения, который был описан выше, здесь не применяется.

DOHC VTEC (1989-2001)

Первоначально VTEC был реализован в конце 1980-х на двигателе с двумя распределительными валами (DOHC) и был самой мощной версией до 2001 года. Это был легендарный для своего времени B16A. На каждом распределительном вале для каждого цилиндра вместо обычных 2-х кулачков были сделаны 3. Два крайних задавали ход клапанов в обычном режиме, тогда как средний кулачок имел профиль под высокие обороты. Механизм клапанов был устроен так, что с помощью давления моторного масла, подаваемого через электронно-управляемый клапан, выдвигались особые штифты, которые обеспечивали привод клапанов от центрального «мощностного» кулачка, вместо стандартных. Система VTEC имела также свой датчик давления масла, по которому компьютер определял момент реального подключения и отключения штифтов, и выбирал соответствующие карты впрыска и угла зажигания. Таким образом, по команде компьютера, при соблюдении ряда условий, мотор мог получать больше рабочей смеси и развивать большие обороты, выдавая больше мощности. У мотора после 5000 об.мин. наступало как бы «второе дыхание». Для конца 1980-х — начала 1990-х годов, двигатель объёмом 1,6л, выдающий 160-180 л.с. на атмосферном давлении, имеющий довольно простую и надежную конструкцию с высоким запасом прочности, был весьма прогрессивен.

Конструктивные особенности

Рассмотрим, что такое ВТЕК на Хонде на примере двигателя с системой ГРМ DOHC, поскольку на этом моторе она впервые начала использоваться и является конструктивно самой простой. Особенность этого газораспределительного механизма — применение 4 клапанов на каждый цилиндр (по паре впускных и выпускных, работающих синхронно) и двух распредвалов, каждый из которых отвечает за открытие своих клапанов.

Принцип действия включения рокера VTEC

Выключение рокера VTEC

VTEC на этом двигателе имеет два режима работы и подразумевает использование трех кулачков на пару клапанов (как впускных, так и выпускных), вместо двух. Третий кулачок – с увеличенной высотой и плавной геометрией (повторяет форму кулачка спортивного распредвала) и размещен он между двумя обычными.

Крайние кулачки (с обычной формой) воздействуют на клапаны не напрямую, а через рокеры, коромысла, толкатели (в зависимости от конструкции ГРМ). У центрального кулачка тоже есть рокер (коромысло), но они никакого воздействия на клапаны не имеют. Зато в них проделан масляный канал и установлены выдвигающиеся штифты, которые заходя в специальные углубления крайних рокеров (кромысел), соединяют между собой рокеры и обеспечивают их синхронное движение.

Масляный канал, проделанный в осях рокеров и центральном рокере, оснащен клапаном-соленоидом, управляемым ЭБУ мотора, что позволяет контролировать подачу масла, которое подаётся в VTEC.

Типы

VTEC конструкторами Хонда постоянно совершенствуется, поэтому помимо DOHC VTEC она включает в себя несколько видов с разными конструктивными особенностями.

SOHC VTEC

Конструкция VTEC на двигателях с газораспределительным механизмом SOHC отличается от DOHC. В этом ГРМ используется только один распредвал, который приводит в действие впускные пары клапанов цилиндра и выпускные. Из-за этого установка по три кулачка на каждую пару привела бы к увеличению длины вала, а соответственно и головки блока. Дополнительно невозможность использования VTEC на выпускных клапанах обусловлена тем, что между ними проходит свечной колодец. Поэтому конструкторы Хонда на двигателях SOHC применили  VTEC только на впускных.

Что касается функционирования, то у SOHC VTEC принцип работы не отличается от DOHC VTEC.

VTEC-E

Следующим этапом развития стала VTEC-E на тех же моторах SOHC. Конструкторы сделали ставку на максимальную экономичность двигателя. И сделано это было путем уменьшения высоты профиля одного из боковых кулачков. В результате, при малых нагрузках впускные клапаны открывались на разную высоту (один оставался почти закрытым), что позволило использовать на этом режиме функционирования мотора обедненную смесь. После же задействования соленоида оба открывались на одинаковую высоту.

Вас также заинтересует:

• Двигатели DOHC — принцип работы, устройство и технические характеристики
• Замена ремня ГРМ: как снять, установить и выставить метки правильно
• Онлайн калькулятор расхода топлива на 100 км

SOHC VTEC 3-stage

SOHC VTEC 3-stage отличается наличием трех режимов работы, что позволило  подстраивать функционирование ГРМ под рабочие условия мотора. Конструкторы в этом виде совместили SOHC VTEC и VTEC-E, что и позволило получить три режима работы:

1. Малые обороты коленвала. При таком режиме система копирует работу VTEC-E – из двух впускных открывается только один, который обеспечивает высокую экономичность мотора;
2. Средняя нагрузка. При достижении таких рабочих условий включается в действие второй впускной.
3. Высокие обороты. На этом режиме открытием клапанов начинает «заведовать» центральный кулачок с высоким профилем.

Трехрежимная работа VTEC реализована путем установки дополнительного клапана-соленоида. В результате открытием первого осуществляется подключение второго впускного клапана, а задействованием второго – переход на работу клапанов с высокопрофильным кулачком.

Варианты систем VTEC

Рассматривать VTEC следует не с позиций обособленной системы, а целое семейство инженерных решений, которые были реализованы в разные годы. Разновидностей VTEC в двигателях полноценных легковых автомобилей массой как минимум в 1000 кг (существует и аналоги для мотоциклов) несколько:

DOHC VTEC (1989-2001) – система на самом мощном безнаддувном силовом агрегате Honda до 2001 года, известном под маркой B16A. По 3 кулачка для впускных и выпускных клапанов цилиндров устанавливались на каждом из двух распределительных валов. По достижении 5000 об/мин бензиновый ДВС начинал работать с повышенной мощностью, выдавая при объеме всего 1,6 литра до 180 л. с. Все это было возможно на атмосферном давлении без турбонаддува. Для сравнения, дизельный двигатель 1J2 (TDI), которым оснащались автомобили немецкого производства с конца 1990-х годов, имеет турбонаддув, объем 1,9 л, но выдает только 110 л. с.

SOHC VTEC (с 1991 по 2001) – упрощенный вариант VTEC. Так как в двигателях SOHC используется единый вал с кулачками для впускных и выпускных клапанов, VTEC реализована только на впуске.

SOHC VTEC-E (1991-2001) – дальнейшее развитие технологии, но уже не для повышения мощности, а с целью снизить расход топлива либо нагрузку на двигатель при умеренном стиле езды. Посредством рокеров кулачки обеспечивают большее открытие только одного из двух клапанов. Второй открывается несущественно, благодаря чему образовывается сильное завихрение в районе искрения свечи. Это дает возможность применять обедненную рабочую смесь. Если ДВС переходит в режим работы на повышенных оборотах, VTEC осуществляет одинаковое открытие обоих впускных клапанов цилиндра, прибавляя таким образом мощности.

3-stage SOHC VTEC (1995-2001) – третье поколение SOHC VTEC. Сочетание двух упомянутых выше разновидностей VTEC с возможностью работы в трех режимах. На малых оборотах открывается и закрывается только один клапан цилиндра, на средних – два, на высоких задействуется кулачок с особым профилем. В результате достигаются и экономичность при средней и малой нагрузке, и мощность при высокой.

i-VTEC (с 2001) – наиболее современная вариация VTEC. Как и прежде, используется трехкулачковый механизм управления клапанами

Важное отличие от других типов VTEC заключается в том, что моменты открытия и закрытия впускных клапанов при одном и том же положении поршня могут регулироваться интеллектуальной системой. Вследствие этого изменяется степень наполнения цилиндров рабочей смесью

На малых оборотах она меньше, на повышенных – больше.

Для чего нужен VTEC

В обычном 4-тактном ДВС клапаны для впрыска горючей смеси и выпуска отработавших газов приводятся в движение кулачками. Геометрические параметры этих деталей определяют, насколько высоко может подняться каждый клапан, и как долго он будет находиться в таком положении. Чем рабочая часть кулачка длиннее и шире, тем больше при вращении распределительного вала откроется клапан. В цилиндр поступит больше топливовоздушной смеси, и силовой агрегат покажет высокую мощность с увеличением оборотов. Но чем чревато исполнение вала и кулачков ГРМ в серийном автомобилестроении именно таким образом?

Во-первых, расход топлива всегда будет запредельным, и не важно, в каком режиме работает ДВС. Во-вторых, силовая установка окажется ненадежной

Появится перегрев, повышенный износ поршневой группы, цилиндров, необходимость утяжеления и удорожания авто за счет громоздкой системы охлаждения.

По этой причине основная масса автомобилей, выпускаемых серийно для массового потребителя, имеет оптимальные размеры кулачков. Одновременно достигаются сразу две цели – экономичность и плавность хода. Инженеры из Honda пошли другим путем, создав систему VTEC, которая способна обеспечивать высокую мощность при низком среднем расходе топлива.

i-VTEC (с 2001)

i-VTEC (‘i’ означает интеллектуальный (англ. intelligent)) дополнительно представил непрерывно изменяемые фазы газораспределения (VTC — Variable Timing Control) на распредвале впускных клапанов в системе .

K-серия

Технология i-VTEC впервые применялась на четырёхцилиндровых двигателях серии К в 2001 году (в в США). Подъём и продолжительность открытия клапанов по-прежнему управлялся разными фиксированными профилями кулачков, но впускной распредвал получил способность произвольно смещать угол начала хода клапанов от 25 до 50 градусов (в зависимости от двигателя). Для этого шестерня распредвала сделана не цельной деталью, а гидравлическим механизмом. Фазы управляются компьютером, используя давление масла внутри механизма шкива. Регулирование фаз зависит от оборотов и нагрузки двигателя, и фазы могут варьироваться от отсутствия опережения на холостом ходу — до максимального опережения под полным газом и низкими оборотами. Как следствие, увеличивается момент на низких и средних оборотах

Важной способностью такой системы является т.н. «перекрытие клапанов», когда впускные и выпускные клапаны оказываются одновременно открыты для лучшей вентиляции

Кроме поднятия мощности на высоких оборотах, это даёт возможность использовать рециркуляцию выхлопных газов без традиционно применяемого особого клапана EGR.

Для моторов серии К существуют две разновидности i-VTEC:

Первая использует оба распределительных вала и создана для мощных моторов, таких как в , TSX, Odyssey Absolute. Имеет повышенную степень сжатия.

Вторая использует лишь впускной вал по принципу, аналогичному SOHC VTEC-E, и предназначена для экономичных моторов, таких как в CR-V, Odyssey или Accord. То есть, по сути является VTEC-E, но со вторым распредвалом без VTEC и наличием VTC на впускном валу. Работает на бензине марки Regular.

Оба мотора можно легко различить по выдаваемой мощности: производительные системы выдают до 206 л. с., а экономичные моторы не превышают 173 л. с.

R-серия

Эта серия моторов стоит особняком от остальных VTEC-моторов. Двигатель одновальный (SOHC i-VTEC), имеет классически для VTEC 3 впускных кулачка на цилиндр, но два из них «большие» и один «маленький». Большие кулачки управляют своими клапанами постоянно, маленький же может включаться в работу системой i-VTEC от низких до средних оборотов, а не на высоких как обычно для VTEC-систем. Предназначен он для того чтобы временно приоткрывать один из впускных клапанов во время такта сжатия, на манер цикла Аткинсона (Миллера), что снижает насосные потери и позволяет эффективнее проводить рабочий такт. Данное решение позволяет иметь выгоды от топливной экономичности цикла Аткинсона, без существенного усложнения мотора и потери динамических характеристик.

SOHC VTEC-E (Economy или Effective; 1991-2001)

Следующая версия SOHC VTEC, VTEC-E, была разработана не для повышения производительности на высоких оборотах, а для повышения экономии топлива на низких оборотах или же просто низкой нагрузке на мотор. Функционировала только для впускных клапанов. Для этого, воздействие на клапаны осуществлялось не напрямую от кулачков распредвала, а через посредников — рокеры, или коромысла, которыми VTEC-E может управлять с помощью подачи давления масла на специальные соединительные штифты. На низких оборотах каждый впускной клапан открывался с помощью персонального кулачка распредвала. При этом полноценно открывался только один впускной клапан из двух, в то время как второй открывался незначительно и на меньшее время, создавая совместно с первым сильные завихрения вокруг зоны свечи. Это позволяло использовать обеднённую смесь, добиваясь стабильности воспламенения с помощью достаточно богатой смеси у свечи, одновременно при этом бедной у краёв цилиндра, что вместе с EGR в целом позволяло экономить топливо. При высоких оборотах (не менее 2500) и повышенной нагрузке ЭБУ включал клапан VTEC, и тем самым включался в работу общий для обоих клапанов специальный кулачок, третий, с агрессивным профилем, и оба клапана начинали открываться одинаково в мощностном режиме. Либо же, в более ранних версиях VTEC-E, особого высокопроизводительного кулачка не было — второй клапан просто начинал работать по профилю первого, который мог быть как обычным так и агрессивным. Однако, мощностный режим VTEC-E скорее похож на обычный для классического двигателя без системы VTEC. Поэтому соотношение мощности и объёма двигателей с VTEC-E примерно соответствовало обычным моторам, при этом давая выигрыш в экономии топлива при умеренном стиле езды.

Принцип работы

Как работает VTEC

При работе двигателя на малых и средних оборотах ЭБУ «держит» закрытым клапан-соленоид, давление масла в каналах рокеров отсутствует, и открытие клапанов осуществляется от кулачков с обычной геометрией. Центральный же кулачок воздействует на рокер (коромысло), но поскольку они не связаны с крайними рокерами, то он работает «вхолостую».

При достижении определенных оборотов коленчатого вала, ЭБУ открывает соленоид и масло под давлением подается в каналы, затем поступает в полость центрального рокера (коромысла) и выталкивает из посадочных мест штифты. Эти штифты выдвигаясь, попадают в проточки крайних рокеров. Благодаря этому, рокеры получаются соединенными и двигаются синхронно, как единая конструкция. При этом, поскольку высота центрального кулачка больше, чем боковых,  он начинает «задавать» движение рокерам, что и обеспечивает большее время и высоту открытия клапанов.

Одновременно с переходом на использование центрального кулачка распредвала ЭБУ корректирует работу впуска, подавая в цилиндры больше топлива, и как итог  повышая мощность.

После снижения оборотов до средних ЭБУ закрывает соленоид, рокеры разъединяются и открытие клапанов снова происходит от боковых кулачков с обычной геометрией.

Общая концепция

Чтобы разобраться, что такое VTEC, рассмотрим, чем отличаются обычный и спортивный распредвалы. Конструктивно оба валы одинаковы, но у последнего высота кулачков больше, чем у обычного, а геометрия их – более плавная. За счет такой формы кулачков спортивные распредвалы обеспечивают лучшее наполнение цилиндров из-за увеличенных времени и высоты открытия клапанов.

VTEС совмещает в себе конструктивные особенности простого и спортивного распредвалов, что позволяет автоматически регулировать фазы газораспределения в зависимости от условий работы мотора. На малых оборотах система задействует кулачки с обычной геометрией, поэтому экономно расходуется топливо, а на высоких – с увеличенной высотой, обеспечивая максимальный выход мощности.