В 2007 г. компания Toyota вывела на рынок атмосферные бензиновые двигатели семейства XR. Помимо массового использования алюминия, в них применяли систему Valvematic или сокращенно VM, необходимую для изменения высоты подъема и времени открытия впускных клапанов. Система VM учитывает при работе работу регулятора фаз и угол открытия дросселя, улучшая эластичность двигателя и снижая расход топлива.
Что такое Valvematic, его назначение и принцип действия
Компания Toyota с 90-х гг. прошлого века использовала на двигателях системы изменения фаз газораспределения VVTi и Dual VVTi. Но эффективность корректировки фаз на моторах с объемом цилиндров до 2,0 л была недостаточной для соответствия агрегатов ужесточившимся требованиям к расходу топлива и выбросам вредных веществ.
Внедрение системы Valvematic позволило улучшить характеристики двигателей, но одновременно усложнило конструкцию.
Конструкция
Двигатели с Valvematic оснащены 2 распределительными валами с муфтами изменения фаз. В конструкцию газораспределительного механизма введен дополнительный вал с кулачками и управляющим штоком. При отключенной системе VM кулачки распределительных валов приводят клапаны через ролики и толкатели, установленные на оси системы Valvematic. Но при активации толкатели поворачиваются на небольшой угол, что позволяет увеличить высоту открытия клапана.
В ролике хорошо показан алгоритм работы системы.
Контроллер VM
Привод Valvematic объединен с блоком управления и установлен на торце головки блока. Внутри модуля есть трехфазный электрический двигатель с неодимовыми магнитами. Ротор не оснащен коллектором для щеток.
Мотор соединен с планетарным рядом и червячным приводом, позволяющим перемещать шток и изменять высоту подъема клапана. Червячный редуктор предназначен для преобразования вращения вала электродвигателя в поступательное движение управляющего штока. Механизм подключен к системе смазки бензинового двигателя.
Контроллер EDU определяет угол поворота вала и высоту подъема клапанов, учитывая текущие условия работы двигателя. Блок управления работает совместно с датчиками угла поворота ротора электропривода и датчика числа оборотов, совершенных ротором.
Таким образом удается получить данные о фактическом движении штока и скорректировать его до чисел, заложенных в управляющей программе.
Привод VVL
В системе Valvematic использован подвижный шток, связанный с ползунами. На внешней части ползунов имеется косозубая нарезка, находящаяся в зацеплении с косыми зубьями рычагов. При движении штока нарезка ползунов входит в пазы рычагов, обеспечивая изменение положения.
Для каждого цилиндра установлены 3 рычага – центральный роликовый и боковые, жестко связанные между собой.
При работе Valvematic кулачок распределительного вала давит на ролик и смещает блок кулачков. Боковые кулачки воздействуют на шток клапана. В приводе предусмотрен демпфер, необходимый для непрерывного отслеживания профиля кулачка распределительного вала. Зазор в механизме ГРМ поддерживается гидрокомпенсаторами, не требующими периодической регулировки.
Эффект
Использование системы Valvematic позволяет регулировать интенсивность подачи смеси в цилиндры не заслонкой, а высотой подъема клапана. Дроссель на моторах с VM почти постоянно находится в полностью открытом состоянии. Соответственно, давление воздуха во впускном коллекторе почти не отличается от атмосферного, что позволяет снизить потери мощности при движении поршня вниз за счет устранения насосного эффекта.
Но после закрытия клапанов впуска влияние Valvematic исчезает, поскольку поршень продолжает движение к нижней мертвой точке, а в цилиндре начинается падение давления.
Негативный эффект компенсируется начальной стадией впуска, при которой цилиндр мотора с Valvematic лучше заполняется смесью. Поскольку система изменения высоты подъема клапана работает синхронно с регулятором фаз, то удается эффективнее сжигать топливо.
Отсутствие разряжения во впускном коллекторе создает проблемы с работой усилителя тормозов. На автомобилях с Valvematic используется вакуумный насос. Он установлен на торце головки блока и имеет привод от распределительного вала выпускных клапанов. Корпус насоса выполнен из алюминия, внутри установлен вал с лопастями.
Режимы работы
Рабочие режимы системы Valvematic:
- Пусковой, при котором выставляется закрытие каналов впуска практически при достижении поршнем нижней мертвой точки. Достигается сокращение времени перекрытия клапанов линий впуска и выпуска, что улучшает старт двигателя. При остановке мотора механизм Valvematic автоматически устанавливается в положение пуска.
- Режим холостого хода с увеличенным ходом клапана и расширенным перекрытием линий впуска и выпуска. Достигается дополнительная рециркуляция отработавших газов и падает концентрация вредных веществ в выхлопе.
- Режим прогрева двигателя. Высота подъема впускных клапанов почти соответствует холостому ходу. Обеспечивается сокращение расхода бензина и поддерживается стабильная мощность.
- Рабочий режим при небольших и средних оборотах. Угол открытия клапанов впуска варьируется в связке с системой изменения фаз газораспределения. Достигается снижение расхода топлива при различных нагрузках.
- Рабочий режим при высоких и максимальных оборотах, диапазон регулировки угла открытия клапанов узкий. Позднее закрытие впуска обеспечивает хорошее заполнение цилиндров. Помимо снижения расхода достигается уменьшение температуры выхлопных газов.
Преимущества технологии
Непрерывное изменение высоты подъема клапанов вместе с регулировкой фаз газораспределения позволяет стабилизировать характеристики двигателя при разных рабочих режимах. Внедрение системы Valvematic снизило расход топлива на 8-10%, хотя экономичность сильно зависит от множества внешних факторов и технического состояния автомобиля.
Общее повышение мощности и крутящего момента невелико, но производитель заявил о снижении выбросов вредных веществ на 12%.
Есть ли недостатки
После выхода системы Valvematic на рынок компания Toyota столкнулась с нареканиями со стороны клиентов. В ряде случаев ремонт регулятора высоты подъема клапанов требовался при пробегах менее 20 тыс. км.
Производитель несколько раз модернизировал систему Valvematic, устраняя одни дефекты и сталкиваясь с новыми. Слабым местом оказался и электромеханический привод, который является неразборным. Но впоследствии были разработаны технологии восстановления блока, позволяющие снизить затраты на ремонт автомобилей, не находящихся на гарантийном обслуживании.
На какие машины ставится Valvematic
Система Valvematic Toyota использовалась на многих легковых автомобилях, оснащенных двигателями серии ZR, с объемом от 1,6 до 2,0 л:
- Toyota Allion;
- Toyota Auris;
- Toyota Corolla;
- Toyota Premio;
- Toyota RAV4;
- Toyota Avensis;
- Toyota Wish;
- Toyota Noah/Voxy;
- Toyota C-HR;
- Toyota Harrier;
- Toyota Verso;
- Lotus Elise и ряде других моделей.
Двигатели линейки ZR, оснащенные системой Valvematic, имеют дополнительное обозначение FAE или FBE. Например, 1,6-литровый 1ZR-FAE развивает 129 сил, что на 6 сил больше, чем 1ZR-FE без Valvematic. Но важнее изменение эластичности – пик крутящего момента. У 1ZR-FAE он составляет 160 Н*м и достигается при 4400 об/мин, а 1ZR-FE показывает 153 Н*м при 5200 об/мин.
Частые неисправности и их причины
Основной проблемой системы Valvematic является блок управления, объединенный с электрическим приводом в единый модуль.
В случае поломки падает тяга двигателя, замедляется или полностью исчезает реакция на нажатие педали газа. В комбинации приборов включаются контрольные лампы (включая Check Engine), фиксируются ошибки.
Ресурс блока непредсказуем. Некоторые владельцы проехали свыше 150 тыс. км без замены, а другие – меняли контроллер по гарантии при пробегах 20-40 тыс. км. Кроме того, детали блока Valvematic стареют и могут выйти из строя из-за возраста.
Проблемы появляются и в случае отказа вакуумного насоса, необходимого для работы усилителя тормозов при использовании системы Valvematic. При поломке помпы появляются цокающие звуки, особенно хорошо различимые после прогрева двигателя.
Производитель несколько раз модернизировал насосы, но добиться высокой надежности не удалось (ранние модификации могли выйти из строя при пробегах 20-30 тыс. км).
В ролике хорошо прослушиваются стуки от неисправного вакуумного насоса.
Коды ошибок и их расшифровка
В случае неисправности блока управления Valvematic возможны ошибки:
При неисправности Valvematic может фиксироваться ошибка Р1604, указывающая на неудачную попытку запуска двигателя. Вместе с Р1047 иногда записывается код U011B, сигнализирующий о нарушении обмена данными по цифровой шине CAN с контроллером системы Valvematic.
Особенности ремонта Valvematic
В большинстве случаев ремонт системы заключается в замене блока управления. Вышедший из строя контроллер восстанавливают в условиях сервиса. Ряд мастерских выкупает у владельцев неисправные блоки Valvematic.
При покупке нового контроллера учитывают номер детали. Не рекомендуется брать узел с номером ниже 222А0-37017, но большинство мастеров советует ставить контроллер последнего релиза 222А0-37025.
На осень 2023 г. стоимость блока 222А0-37025 начинается от 56,5 тыс. руб. Предыдущие генерации имеют такую же цену.
Почему его лучше ремонтировать самому
Самостоятельный ремонт Valvematic – мечта для сотрудников сервиса, поскольку вмешательство неквалифицированного человека приводит к поломке механизма и неминуемому визиту в мастерскую. В кустарных или гаражных условиях можно только полностью заменить контроллер, но для выполнения работ нужны знания конструкции двигателя и навыки обслуживания. Во всех остальных случаях лучше отдать автомобиль в специализированный сервис.
Инструкция по ремонту и замене блока Valvematic своими руками
Для замены контроллера Valvematic необходимо:
- Отсоединить батарею от бортовой сети и вынуть аккумулятор из моторного отсека.
- Отключить колодку от датчика массового расхода воздуха.
- Снять хомут трубопровода подачи воздуха и шланг отвода картерных газов.
- Демонтировать верхнюю часть корпуса воздушного фильтра вместе с эластичной трубой.
- Отвернуть крепление нижней части корпуса фильтра, отсоединить кабель датчика расхода воздуха от кожуха.
- Отсоединить проводку от датчика давления картерных газов, вакуумного клапана и форсунок.
- Отвернуть крепления отрицательных выводов проводки от крышки механизма ГРМ.
- Отсоединить проводку от катушек зажигания, дроссельной заслонки и датчиков положения распределительных валов.
- Снять шланг вакуумного усилителя тормозов с патрубка насоса.
- Отключить разъемы муфт регулятора фаз, демонтировать задний хомут крепления жгута проводки, идущего к датчику положения коленчатого вала.
- Отсоединить проводку от датчика топливной смеси и снять его.
- Снять трубку вентиляции топливного бака со штуцера, отсоединить разъем клапана.
- Отвернуть болты крепления пластикового короба проводки, клапана вентиляции топливного бака и трубопровода от крышки ГРМ.
- Снять клапан вентиляции бака, штекер с блока Valvematic.
- Отсоединить дополнительные крепления короба проводки, которые ограничивают доступ к контроллеру Valvematic.
- Отвести жгут проводки с коробом, отвернуть болт крепления трубок к крышке ГРМ.
- Отсоединить шланги с трубок и вывести их из-под жгута проводов.
- Снять катушки зажигания, предварительно отвернув болты.
- Отвернуть болты крепления клапанной крышки к головке.
- Поддеть отверткой и снять крышку, убрать прокладку.
- Перенести 3 прокладки масляных каналов с крышки на ГБЦ.
- Уложить тряпку под контроллер Valvematic, необходимую для сбора вытекающего масла.
- Отвернуть болт крепления контроллера и 2 дополнительные шпильки со специальной головкой под звездочку 6 мм.
- Отвести прижимную скобу муфты Valvematic и вынуть штифт.
- Вытянуть контроллер Valvematic. Подробнее процесс снятия на примере кроссовера RAV4 показан в ролике. Сборку производят в обратном порядке, соблюдая моменты затяжки гаек и болтов.
Конкуренты и будущее
Компания Toyota не стала единственным разработчиком систем изменения высоты подъема клапанов. Например, Audi предложила свою разработку Valvelift с распределительными валами, имеющими подвижные блоки из двух кулачков для каждого клапана. Профили кулачков различны, позволяют выставлять разную высоту открытия клапанов. Для изменения положения использован электромеханический привод с электронным управлением.
Система является дискретной и отличается от Valvematic упрощенным алгоритмом работы. Доступны всего 2 варианта высоты подъема, а японская технология позволяет плавно менять высоту подъема в заданном диапазоне.
Существовали и другие системы дискретного изменения высоты подъема. Например, еще в конце 80-х гг. прошлого века подобную конструкцию под обозначением VTEC предложила японская компания Honda. В ней использовался распределительный вал с дополнительным кулачком, который соединялся со вспомогательным штоком.
При небольших нагрузках клапаны впуска открывались кулачками с низким профилем. При повышении оборотов шток соединял толкатели в единую конструкцию, которая получала привод от кулачка с высоким профилем.
Конструктивно к Valvematic ближе система Valvetronic, разработанная концерном BMW. Привод состоит из коллекторного электрического двигателя с червячным редуктором, позволяющим поворачивать вал с эксцентриками. Эксцентрики меняют положение промежуточных рычагов, через которые кулачки распределительного вала связаны с клапанами. Изменение плеча рычага позволяет плавно менять высоту подъема клапана.
Промежуточные рычаги оснащены пружинами для обратного хода. Система Valvetronic используется и на ряде двигателей Citroen.
Будущее системы Valvematic зависит от тенденций развития двигателей внутреннего сгорания. На 2023 г. большинство производителей автомобилей стремится перейти на электрические моторы. Но продолжается разработка машин с гибридными силовыми установками, одной из составляющих которых является бензиновый двигатель.
Компания Toyota отказалась от дальнейшего развития Valvematic, сделав упор на совершенствование процессов газообмена и внедрение цикла Миллера, позволяющих снизить затраты топлива. Например, атмосферные моторы поколения Toyota Dynamic Force, выпускаемого с 2017 г., превосходят серию ZR по всем параметрам, несмотря на отказ от Valvematic.
Система Valvematic позволила улучшить характеристики двигателей, но оказалась достаточно капризной. Компания Toyota многократно модернизировала детали, пытаясь повысить ресурс. Но в конечном итоге японский производитель отказался от внедрения Valvematic на новых моделях двигателей, отдав предпочтение другим решениям.
Возможно, вам уже приходилось ездить на авто с такой системой – поделитесь своим мнением о ее работе в комментариях.
Сохраните статью в закладках. Возможно, приведенная в ней информация поможет вам в будущем.
