Гараж
Главная  /  Гараж  /  От Valvematic до Variocam Plus: системы регулировки подъема клапанов и их ремонт

От Valvematic до Variocam Plus:
системы регулировки подъема клапанов и их ремонт

Разберемся в принципах работы и особенностях систем регулировки высоты подъема клапанов различных автопроизводителей, а также оценим ремонтопригодность этих систем и тонкости определения неисправностей на примере мотора Porsche Cayenne

ВВЕДЕНИЕ

Создать материал о назначении и принципиальных отличиях систем регулировки подъема клапанов разных автопроизводителей меня побудил конкретный случай в моей практике. Он как нельзя лучше характеризует некоторое недопонимание автовладельцев важности правильной работы этой системы. Вкупе с моделью автомобиля (Porsche Cayenne) и степени обсуждаемости типичных проблем его мотора можно представить, сколько «кругов ада» довелось пройти его владельцу, прежде чем открылась простая истина. При этом хотелось бы не просто обсудить данный случай, но и коснуться истории системы регулировки подъема клапанов в целом.

ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЯВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫСОТЫ ПОДЪЕМА КЛАПАНОВ 

Со дня появления первого серийного автомобиля основная борьба конструкторов, наряду со снижением веса, разворачивалась именно за ту часть мотора, где находился привод клапанного механизма. Дилемма была очень проста: эффективная работа мотора (работа с высоким коэффициентом полезного действия и малым расходом топлива) в режиме холостого хода и при средних/высоких нагрузках существенно отличались. Эксперименты с разрезными шестернями (они хорошо знакомы владельцам отечественных автомобилей) и попыткой найти «среднее арифметическое» положение впускного и выпускного клапанов, удовлетворяющее (от слова по смыслу оценки «удовлетворительно») более-менее комфортным условиям движения в разных режимах, закончились довольно давно. В серийных автомобилях вплоть до начала 1980-х не предпринимались активные попытки решения этого вопроса. Но проходило время, и ужесточение требований к выбросу отработавших газов при значительной конкуренции между автопроизводителями все-таки сдвинуло дело с мертвой точки.

В качестве первого из возможных вариантов ответа на удачный «симбиоз» режимов появилась система изменения фаз ГРМ. Из часто обсуждаемых можно вспомнить систему VCP (Renault), VANOS/DoubleVANOS (BMW), VVT-i (Toyota), VTC (Honda) и т.д. Несмотря на кажущуюся сложность, ее назначение простое – обеспечить такое смещение фаз газораспределения, чтобы газообмен во время работы ДВС был оптимальным при любых частотах вращения коленчатого вала. Сначала эта система была внедрена на впускной вал, а потом и на выпускной. Углы регулировки в современных моторах достигали очень приличного диапазона в 50 градусов, и тем не менее добиться нужной эластичности в работе ДВС не удавалось. А дело в том, что значительное влияние на процессы газообмена оказывает не столько смещение самих фаз, сколько их длительность. Можно сказать, что за счет «раннего» или «позднего» открытия клапанов конструкторы хотели сделать цикл максимально эффективным. Но для выполнения такой задачи всегда не хватало самой малости, а дело было всего лишь в «незыблемости» профиля кулачка распределительного вала. Он остался последним «бастионом» усреднения характеристик. Форма кулачка подобрана с расчетом на оптимальный баланс между высоким показателем крутящего момента на низких оборотах и максимальной мощностью агрегата в режиме высокой частоты вращения коленчатого вала.

И этому «бастиону» тоже пришлось пасть. Конструкторы сделали изменяемыми не только сами фазы газораспределения, но и их длительность. Этот процесс оказался настолько важным, что позволил в буквальном смысле заглянуть в будущее: насколько эластичным и «легким» в интеграции различных режимов работы (согласно все более жестким экологическим стандартам) и одновременно экономичным и приемистым стал двигатель. Если говорить проще, то из-за оптимизации состава смеси в цилиндрах улучшилась разгонная динамика. Одновременно с увеличением крутящего момента на низких частотах вращения коленчатого вала практически перестало существовать такое хорошо известное явление, как «турбояма», открылись новые горизонты «бездроссельного» регулирования, менее требовательным стал монтаж выхлопной системы, значительно возросла приемистость мотора при резком ускорении автомобиля, упал расход топлива и т.д.

Разумеется, такой «пряник» упускать никто не собирался, и буквально все известные автопроизводители «засучили рукава». На данный момент известно порядка 15 конструкций регулирования высоты подъема клапанов. Описывать все не буду, тем более что производителями используется в основном 5–6 конструкций этого механизма. Но о некоторых  расскажу подробнее.

НАИБОЛЕЕ ИЗВЕСТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЗМА РЕГУЛИРОВКИ ВЫСОТЫ ПОДЪЕМА КЛАПАНОВ

Начнем с системы BMW Valvematiс и часто задаваемого вопроса: чем, собственно, отличается М-серия баварских моторов, где такой системы нет, от серии N. Если говорить практически, с точки зрения обслуживания, то отличия несущественные, но поменять, например, уплотнение клапанной крышки стало сложнее. А вообще, BMW Valvematiс – это довольно незамысловатая рычажная система, приводимая централизованно с помощью вала и электромотора. С точки зрения механики вполне надежный вариант (поэтому такая конструкция перекочевала и на другие моторы этого производителя). Кроме разъема датчиков, который постоянно страдает от снятия/установки клапанной крышки, других проблем здесь не замечено. Однако при ремонте такого мотора потребуются специальные приспособления для демонтажа головки блока цилиндра.

Следующим интересным вариантом является система MultiAir, впервые появившаяся на моторе FIAT, ставшем «Двигателем года» в 2010 году. В этом случае реализован принцип электрогидравлического управления.

Самой старой конструкцией, можно сказать предтечей данной системы, обладали двигатели Honda, в которых сам вал привода клапанов двигался в осевом направлении, а его кулачки имели конусную поверхность. В свое время это была просто революционная система, но, учитывая характер движения кулачков, невозможно было обеспечить хорошие показатели подъема клапанов по амплитуде (высота подъема клапана), поэтому эффективность такой системы, по сравнению с вышеописанными двухступенчатыми, была невысокой. Хотя за ресурс и плавность работы привода VTEC в карму инженерам Honda несомненно добавился плюс.

Практически любая электромеханическая или электрогидравлическая рычажная система предполагала много подвижных деталей с наличием возможных проблем по зазорам, шумам, условиям смазки и т.д. Этих недостатков лишена новая система с электромагнитным управлением, созданная VW Group. У такой системы фантастическая скорость срабатывания (6–8 мс), что не может не сказаться на приемистости автомобиля. При этом отказов у подвижных муфт или механизмов фиксации (проворот, неравномерный износ кулачков) не наблюдается. 

Теперь, после теоретической подготовки, можно приступить к практическому изучению конкретного мотора. На примере 4,8-литрового V8 от Porsche Cayenne мы разберем еще одну конструкцию регулировки высоты подъема клапанов и сделаем это более подробно, поскольку ​этот пример является весьма поучительным в смысле важности работоспособности данной системы. А начнем не с рассмотрения непосредственно элементов ГРМ, а с общих признаков проявления неисправности. Думаю, так будет более познавательно.

СИСТЕМА VARIOCAM PLUS НА МОТОРЕ PORSCHE CAYENNE S (48.01): ПОИСК И УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТИ

Пациент: Porsche Cayenne, 2008 г.в., атмосферный мотор V8 объемом 4,8 литра.

Симптомы болезни: «плавают» обороты холостого хода, мотор «семерит», есть пропуски в 3-м цилиндре в правой по ходу движения ГБЦ, избыточное давление в цилиндрах ровное (по 11 бар +/- 1 бар), расход масла приемлемый, при наборе оборотов характер работы мотора улучшается, никаких «ошибок» в ЭБУ не обнаружено.

Все «начальные» мероприятия по лечению неровной работы ДВС (замена катушек, свечей, форсунок, опрессовка системы впуска, проверка давления в топливной магистрали и т.д.) были произведены несколько раз и на разных СТО, включая официальных дилеров, но результатов не дали. Немаловажный фактор, на который обращаю внимание: по заявлению владельца, избыточное давление в начале «эпопеи» было строго ровное (около 11 бар), а впоследствии, когда автомобиль с описанной проблемой прошел уже около 800 км, начало колебаться в плюс-минус 1–2 бара в зависимости от температуры двигателя. После длительных злоключений владельца сразу несколькими «спецами» был озвучен устрашающий приговор: «накрылся мотор, задиры в цилиндрах, ремонтировать бессмысленно». То есть предполагалось, что поршни здесь выглядят так:

Меня среди огромного количества информации об этом агрегате заинтересовало то, на что другие мастера не обратили должного внимания. А именно – снижение равномерности избыточного давления в цилиндрах одной ГБЦ по прошествии определенного времени. И, как оказалось, не зря! Но начали мы, увы, с борьбы со следствием, а не с причиной. Не буду описывать стандартные мероприятия по проверке форсунок и системы зажигания – они были проведены, и много раз. Но что интересно, так это крайне занимательные показатели адаптации топливной смеси по рядам ГБЦ. Они были диаметрально противоположными! Создавалось полное ощущение, что ЭБУ пытался компенсировать разницу для выравнивая баланса холостого хода между ГБЦ. Баланс выравнивался при поднятии оборотов: уходила вибрация, хотя хлопки пропусков воспламенения все равно присутствовали. При этом положение фазорегуляторов было неизменно стабильно. Понятно, что одно мешало другому, и стройный алгоритм диагностики никак не намечался. Попутно, зная надежную кинематику самого мотора, пришлось отметать еще одно распространенное предположение о «фазниках», растянутой цепи и т.д. Проверку на герметичность соединение седло-клапан не прошло: по характеру падения избыточного давления это и предполагалось, так что для устранения этого недостатка ГБЦ все-таки пришлось демонтировать. Состояние поверхности цилиндров вызвало удовлетворение:

Разумеется, при таком состоянии гильз ни о каких работах с цилиндропоршневой группой речь не идет (тут трудно озвучить выдох облегчения владельца, с которого сняли груз «капиталки» мотора). Но мы лезем дальше. Конструкция каналов и их расположение вполне стандартное, но есть интересная особенность: пропорции размеров тарелок впускных клапанов относительно направляющих соответствуют максимальному наполнению цилиндров:

Заменив направляющие, подправив профиль седел и геометрию некоторых клапанов, мы тем не менее устранили только следствие пропусков воспламенения – подгорание седел клапанов. А что же с причиной? Вот тут и пришло время познакомить вас с фирменной системой регулирования высоты подъема клапанов VarioCam Plus от Porsche.

Эта система относится к электрогидравлическому типу и является прекрасным примером простоты исполнения конструкции. Наличие такой системы на моторе можно определить только по количеству кулачков на выпускном валу да по странному виду «компенсаторов», имеющих строго установленное положение.

Что мы получаем при реализации такой конструкции?

Положительные моменты:

1. Простота изготовления исполнительных узлов – здесь нет сложных переходных элементов, стоимость таких толкателей равна стоимости толкателей с обычными гидрокомпенсаторами, да и заменить их несложно.

2. Простота и надежность рабочих элементов в виде жесткого профиля кулачков распределительного вала с соответствующей температурной обработкой.

3. Благодаря изменяющемуся ходу клапана снижаются потери на трение (вследствие небольшого сопротивления при малом ходе клапана). И заметьте, здесь нет роликов приводных рычагов – в них просто нет необходимости. Узкие профили самих кулачков обеспечивают хорошую смазку этих узлов. Даже при некачественном обслуживании, фото которого приведены выше, замена толкателей и валов не потребовалась.

Но все эти «плюшки» перекрываются жирным минусом: в случае возникновении проблем с давлением масла в управляющем канале узнать об этом посредствам диагностики весьма непросто, что, собственно, и произошло в нашем случае. Все замены элементов зажигания, топливной системы и в итоге вынужденная работа с ГБЦ не приносили результата всего лишь из-за этого:

Да-да, это простой электромагнитный клапан управления подачей масла к двухступенчатым толкателям стоимостью всего несколько тысяч рублей. Хотя сам двигатель «информировал» о возможной проблеме с маслом, на этот аспект внимания не обращали.

Падение давления масла в магистрали ГБЦ сказывалось не одинаково на всех гидрокомпенсаторах ряда, влияя на одни цилиндры больше, а на другие меньше. Понятно, почему негерметичность клапана не влияла на равномерность работы ДВС при увеличении оборотов (когда клапан должен был открываться). После выполненных замен работа ДВС не просто восстановилась – мотор наконец перестал «ощущаться» в автомобиле, радуя только специфичным для V8 бархатным звуком при разгоне. Вот такая получилось длинная и запутанная история поиска и устранения неисправности.

В качестве заключения и одновременного ответа на вопрос, почему в этом материале сделан акцент на системе конкретного автомобиля, скажу следующее. Этот мотор Porsche, несмотря на множество негативных отзывов, в целом является одним из самых продуманных в инженерном смысле по многим аспектам, и надежность его подсистем лично у меня не вызывает сомнений. А вот сложность диагностики этих систем налицо (надеюсь, я доступно объяснил почему). Думаю, в ближайшее время для обоснования моих слов мы проведем сравнительный анализ применяемых систем привода газораспределительного механизма на автомобилях немецкой «большой тройки», добавив для разнообразия немного «восточного колорита». А вам при возникновении неисправности в автомобиле рекомендую быть более внимательными к мелочам во время проведения диагностики.

Материал подготовлен экспертом компании turbo-union.ru