Система CVVT Hyundai i30 с 2012 года

Фактически серия NU, к которой относится двигатель G4NA производителя Hyundai, является модернизацией семейства Theta II. Конструкторы взяли за основу рядовой ДВС G4KD — не особо мощный и экономичный, но не имеющий от пользователей нареканий. Стандартными деталями конструкции G4NA стали:

• блок цилиндров отлит из алюминиевого сплава;
• привод ГРМ цепной малошумный;
• имеются гидрокомпенсаторы.

Дополнительно в двигателе использованы технические решения конструкторов Hyundai:

• Dual CVVT – регулировка фаз и на впускном, и на выпускном распредвалу;
• MPI – распределенный впрыск;
• CVVL – регулировка высоты подъема клапанов;
• GDI – непосредственный впрыск.

Причем для европейского рынка движки выпускают исполнения GDI + CVVL, а в Россию поставляют автомобили Kia и Hyundai с моторами исполнения MPI + Dual CVVT.

Технические характеристики G4NA 2 л/167 л. с.

При проектировании в G4NA заложена рядная схема двигателя атмосферного типа с 4 цилиндрами. При перескакивании звеньев или обрыве цепи мотор гнет клапана из-за соударения их штоков с поршнями. Цековки на торцах поршней проектировщиками не предусмотрены. Ресурс 200 000 км пробега и высокая надежность цепи считаются достаточными мерами для обеспечения безопасности штоков клапанов.

Оригинал G4KD, относящийся к серии Theta II, и с которого производилось копирование, имел «квадратную» конструкцию. То есть, соотношение хода поршня к диаметру цилиндра равнялось единице 86/86 мм = 1. Две муфты Dual CVVT здесь уже стояли, блок изготавливался из алюминия, но гидротолкателей не было. Разрабатывалась серия Theta II совместно с Mitsubishi.

Основной особенностью движка G4NA стала разработка силами концерна HKAG без посторонней помощи. Получился ДВС с длинным ходом, поскольку соотношение хода поршня к диаметру цилиндра 97/81 мм здесь больше единицы. Сохранилась схема ГРМ OHC 16V, система регулировки фаз CVVT на обоих распредвалах и цепной привод механизма газораспределения.

Добавились гидрокомпенсаторы с рокерами, произведена частичная модернизация. Улучшено навесное оборудование и его компоновка на корпусе двигателя. Например, впускной коллектор стал пластиковым с изменяемой геометрией каналов.

Гильзы цилиндров внутри дюралевого блока как были, так и остались тонкостенными стальными с «мокрой» посадкой. Фактически увеличить мощность и произвести глобальное улучшение параметров разработчикам не удалось – крутящий момент и мощность, объемы цилиндров и камер сгорания остались на прежнем уровне.

С другой стороны, повысилась приемистость, снизился эксплуатационный бюджет – гидротолкатели автоматически регулируют тепловые зазоры клапанов, пользователю этим заниматься не нужно.

После доработок конструкции технические характеристики G4NA выглядят таким образом:

В руководство по эксплуатации движка входит описание параметров, пошаговые инструкции для производства своими руками обслуживания. Содержит мануал иллюстрации и описание действий, позволяющих осуществить полный капремонт.

Описание

Клапаны в двигателях внутреннего сгорания используются для управления потоками газов, втекающих и истекающих из камеры сгорания. Момент смены состояния клапана (открытие или закрытие), продолжительность нахождения в одном состоянии и высота подъема этих клапанов в высокой степени оказывают влияние на эффективность двигателя. Без установки системы изменения фаз газораспределения или системы изменения высоты подъема клапанов момент смены состояния этих клапанов будет независим от скорости и условий работы двигателя, что предполагает усредненную настройку таких параметров. Система изменения фаз газораспределения позволяет избавиться от этого ограничения, позволяя улучшить эффективность во всем рабочем диапазоне двигателя.

В поршневых двигателях обычно клапаны приводятся в действие посредством распределительного вала. Кулачки открывают (поднимают

) клапана на определенный промежуток времени (
длительность
) во время каждого цикла впуска и выпуска.
Момент
открытия и закрытия клапанов важен и зависит от положения коленчатого вала. Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала посредством приводного ремня, цепи или зубчатой передачи.

Для работы на высоких скоростях двигателю требуется большой объем воздуха. Однако в таком случае впускные клапана могут закрыться раньше, прежде чем в камеру сгорания поступит необходимое количество воздуха, что снижает эффективность. С другой стороны, при оборудовании двигателя распределительным валом, позволяющим клапанам дольше оставаться открытыми, например, при установке спортивных модификаций кулачков, двигатель будет испытывать проблемы при работе на низких скоростях. Открытие впускных клапанов до закрытия выпускных может приводить к выбросу не сгоревшего топлива из двигателя, что снижает эффективность двигателя и увеличивает токсичность.

Ранние системы изменения фаз газораспределения имели дискретный (ступенчатый) принцип действия. Например, одна настройка момента открытия и закрытия клапанов при работе двигателя на скорости ниже 3500 мин−1, вторая настройка — при работе двигателя на скорости выше 3500 мин−1. Более современные системы производят плавную (бесступенчатую) регулировку момента открытия и закрытия клапанов. Такие системы позволяют производить оптимальную настройку механизма газораспределения для любых скоростей и условий работы двигателя.

Одной из простейших реализаций системы изменения фаз газораспределения является система сдвига фаз, при которой распределительный вал может быть повернут на некоторый угол вперед или назад относительно положения коленчатого вала. При этом клапана закрываются и открываются раньше или позже, однако высота подъема клапанов и длительность открытия и закрытия остаются неизменны. Для возможности регулировки длительности в системе изменения фаз газораспределения требуется внедрение более сложных механизмов, включающих, например, несколько кулачковых профилей или колеблющиеся кулачки.

Особенности конструкции

Относящийся к особой, переходной серии Nu производителя Hyundai двигатель G4NA обладает особенностями конструкции:

• и блок, и головка блока цилиндров выполнены из алюминиевого сплава;
• гильзы цилиндров стальные, посадка их в блок не ремонтопригодная;
• высокие требования по качеству масла обусловлены наличием гидрокомпенсаторов и механизмов регулировки фаз;
• имеются механизмы CVVT или CVVL;
• ГБЦ двухвальная, 16 клапанная по схеме DOHC 16V;
• вращение на распредвалы передается от коленвала цепью;
• навесное оборудование приводится в движение клиновыми ремнями;
• форсировка очень сложная, используется владельцами редко.

Производитель считает, что капитальный ремонт в принципе неремонтопригодного блока невозможен. Однако в автосервисах РФ производят перегильзовку на имеющемся оборудовании.

Система плавнорегулируемого газораспределения (CVVT) — описание работы и замена узла

Система плавнорегулируемого газораспределения (CVVT) изменяет синхронизацию открытия впускных и выпускных клапанов в сторону опережения или запаздывания по сигналу управления от ЭБУД, формируемому с учетом частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя.
Система CVVT позволяет, путем изменения степени перекрытия клапанов, сокращать расход топлива и выбросы (NOx, HC) и улучшать характеристики двигателя за счет уменьшения насосных потерь, внутренней рециркуляции отработавших газов, улучшения стабильности сгорания, а также повышения работы расширения и объемного КПД двигателя.

Система состоит из:

Выходящее из регулятора масла системы CVVT моторное масло изменяет угол поворота распределительного вала в направлении вращения коленчатого вала (опережение впускных клапанов/запаздывание выпускных клапанов) или в противоположном направлении (запаздывание впускных клапанов/опережение выпускных клапанов) путем поворота ротора, соединенного с распределительным валом внутри исполнительного механизма поворота распределительного вала.
Принцип работы
В системе CVVT имеется механизм, поворачивающий лопасть ротора за счет гидравлического усилия, создаваемого моторным маслом в камере опережения или запаздывания, выбираемой регулятором масла.

Снятие 1. Снимите крышку головки блока цилиндров.
2. Снимите крышку цепи привода ГРМ 3. Снимите цепь привода ГРМ 4. Снимите узел впускного CVVT (A) и узел выпускного CVVT (В).

Проверка

1. Проверьте модуль плавнорегулируемого газораспределения (CVVT) в сборе

Плюсы и минусы

Несмотря на достаточно высокие эксплуатационные характеристики двигателя, вариант исполнения G4NA имеет несколько серьезных недостатков:

• задиры на стенках гильз цилиндров, начиная с пробега 20 тысяч км;
• высокие требования к качеству масла;
• считающийся неремонтопригодным алюминиевый блок;
• повышенное давление масла под клапанной крышкой.

С другой стороны, устройство ДВС включает в себя множество передовых технических решений. Это повышает приемистость и удобство использования, снижает бюджет эксплуатации.

Достигаемые результаты

Позднее закрытие впускных клапанов

(англ. late intake valve closing, LIVC). Первыми реализациями изменения момента закрытия клапанов были системы, позволяющие оставлять клапан открытым дольше, чем в двигателе, не оборудованном такой системой. В результате был достигнут эффект выталкивания воздуха из цилиндра во впускной коллектор во время цикла сжатия. Вытесненный из цилиндра воздух повышает давление во впускном коллекторе, вследствие чего при следующем открытии впускного клапана воздух в цилиндр будет подаваться по б́ольшим давлением. В результате внедрения позднего закрытия выпускных клапанов достигается снижение потерь до 40 % во впускном тракте, а также снижение выбросов оксидов азота (NOx) до 24 %. Максимальный крутящий момент двигателя при этом снижается приблизительно на 1 %, а выбросы углеводородов не изменяются.

Раннее закрытие впускных клапанов

(англ. early intake valve closing, EIVC). Другим способом снижения потерь во впускном тракте, применимым на малых скоростях работы двигателя, является создание высокого разряжения во впускном коллекторе, используя раннее закрытие впускных клапанов. Для достижения этого впускные клапаны должны закрываться в ходе цикла впуска. При малой загрузке потребности двигателя в топливо-воздушной смеси небольшие, однако достаточно высоки требования к наполнению ей цилиндров, что возможно достигнуть внедрением раннего закрытия впускных клапанов. Исследования показали, что на двигателях с ранним закрытием впускных клапанов наблюдается снижение потерь во впускном тракте до 40 %, а также увеличение экономичности до 7 %. Также наблюдается снижение выбросов оксидов азота до 24 % в режимах с частичной нагрузкой. Возможной негативной стороной внедрения раннего закрытия впускных клапанов является существенное снижение температуры в камере сгорания, что может вызвать увеличение выбросов углеводородов.

Раннее открытие впускных клапанов

(англ. early intake valve opening). Ранее открытие впускных клапанов является способом существенного уменьшения токсичности. В традиционном двигателе для управления температурой в цилиндрах используется процесс, известный как перекрытие клапанов. При раннем открытии впускных клапанов часть выхлопных газов, перетекая через впускной клапан, попадает во впускной коллектор, где быстро охлаждается. При впуске инертные отработанные газы в значительной степени заполнят цилиндр, благодаря чему достигается снижение температуры в цилиндре и уменьшение выбросов оксидов азота. Также раннее открытие впускных клапанов улучшает объемную эффективность, поскольку объем выброса отработанных газов уменьшается в ходе цикла выпуска.

Раннее и позднее закрытие выпускных клапанов

(англ. early/late exhaust valve closing). Внедрение этих систем позволяет достигать уменьшения токсичности. В традиционном двигателе на цикле выпуска движением поршня отработанные газы выталкиваются в выпускной коллектор и далее в выхлопную систему. Посредством раннего и позднего закрытия выпускных клапанов возможно управлять объемом отработанных газов, остающихся в цилиндре. Оставляя клапан открытым дольше обычного, достигается более полное его очищение от отработанных газов и заполнение цилиндра б́ольшим объемом свежей топливо-воздушной смеси. При раннем закрытии выпускных клапанов в цилиндре остается больше отработанных газов, благодаря чему увеличивается экономичность. Система позволяет двигателю сохранять эффективность во всех режимах работы.

Список моделей авто, в которых устанавливался

У производителя мотор G4NA считается послерестайлинговой версией для линейного ряда автомобилей Kia:

• Cerato – Spectra в США, К3 в Южной Корее, хетчбэк и седан;
• Sportage – кроссовер 2 поколения, передний и полный привод;
• Soul – мини SUV, универсал, переднеприводный с огромным багажником;
• Cerato Koup – купе с высоким клиренсом;
• Magentis/Optima/Lotze – универсал и седан, 2 и 3 поколение.

А также моделей машин Hyundai:

• Tucson/ix35 – корейский кроссовер с названием в честь американского города;
• Sonata/i40 – универсал, седан, АКПП и МКПП;
• Creta/ix25/Cantus – мини кроссовер, только с АКПП;
• Elantra/i30 – 3 и 4 поколение, хетчбэк С-сегмента.

Мотор G4NA является разработкой концерна Hyundai-Kia, поэтому в автомобилях сторонних производителей не используется.

Характеристики двигателя G4NA

По техническим характеристикам двигатель предпоследнего поколения мало чем отличается от G4FC на 1.6 литров.

Основной особенностью G4NA стало сантиметровое смещение коленчатого вала относительно алюминиевого блока.

При высоте поршня 28,5 мм внутренний диаметр поршневого цилиндра увеличен до 81 мм. Незначительные изменения в конструкции Г4НА позволили улучшить рабочие характеристики, увеличить рабочий объем ДВС до 2 литров.

• Марка агрегата — G4NA
• Металл блока — сплав алюминия
• Питание — инжекторное
• Кол-во цилиндров — 4
• Кол-во клапанов — 4
• Ход поршневой в мм — 97,0
• Внутренний диаметр цилиндра в мм — 81,0
• Сжатие — 10.3
• V двигателя в см3 — 1999
• Мощность агрегата л.с./об.мин — 150/6200
• Крутящий момент в Нм/об.мин — 192/4000, 201/4800
• Горючее 95+
• Экология — Евро 5
• Вес, кг — 137,0
• Потребление масла в гр./1000 км (допустимое)- до 600
• Марка масла 5W-20
• Объем масла в л 4.0
• Период замены смазки, км — 7500 -15000
• Рабочая температура мотора, град. ~90

Ресурс двигателя, тыс. км

— по заявке завода — 180

— на практике ~100

Расход топлива

Потребление бензина двигателем Г4НА варьируется в зависимости от модели авто и условий его эксплуатации.

Так Киа Спортейджу 4 с 6АКПП и полным приводом на 100 км пути потребуется бензина от 4,6 до 14,7 литров.

Хендай Элантра с мотором G4NA 6 поколения с 6МКПП и передним приводом в зависимости от условий пробега, потребует на 100 км по городу не менее 9,8 л. По загородной трассе машина израсходует в пределах 5,6 л, на дороге смешанного типа мотор «съест» около 7,1 л на тех же 100 км.

Регламент обслуживания G4NA 2 л/167 л. с.

В мануале завода изготовителя двигатель G4NA рекомендуется обслуживать в указанные сроки:

• ресурс топливного фильтра составляет в среднем 40000 пробега;
• изготовителем рекомендована очистка через год вентиляции картера;
• антифриз охлаждающей системы теряет эффективность после 40000 км;
• цепь ГРМ привода нужно менять на рубеже 200000 км;
• поликлиновые ремни навесного оборудования рекомендовано менять вдвое чаще, после 50000 пробега;
• в системе зажигания DIS-4 ресурс свечей движков примерно равен 20000 пробега;
• стенки выпускного коллектора начинают изнашиваться и прогорать после 70000 км;
• по регламенту производителя воздушный фильтр меняют каждый год;
• производитель рекомендует обновлять смазку и маслофильтр через 7500 км.

Благодаря гидрокомпенсаторам, периодически регулировать тепловые зазоры клапанов не нужно.

Характеристики G4KD

Инжекторный рядный двигатель G4KD объемом 1998 см3. Его вес составляет 136 кг. Для изготовления блока цилиндров силовой установки использован алюминиевый сплав. Каждый из четырех 86-миллиметровых цилиндров блока использует по 4 клапана. Ход поршня составляет 86 мм. Мотор характеризуется степенью сжатия, равной 10,5. Установки производятся на мощностях трех заводов: в Алабаме, в южнокорейском Шаньдуне и Хвасоне. В зависимости от того, для какого рынка производится авто, моторы развивают мощность от 150 до 165 л.с. Характеристики крутящего момента в диапазоне 191-198 Нм.

Октановое число заливаемого топлива должно быть не меньше 95. Двигатель соответствует экологическим стандартам Евро 4 и Евро 5.

Используемое моторное масло должно соответствовать классам вязкости 5W-20 или 5W-30 по стандарту SAE. Объем смазки в системе – 4,1 литра. Расход смазывающего вещества составляет около 600 грамм на каждые 1 тыс. км. Рекомендуемый производителем интервал замены масла в двигателе Г4КД составляет 15 тысяч км, однако для продления срока службы мотора лучше проводить замену каждые 7,5 тысяч пробега.

Для оптимальной работы температура двигателя не должна превышать 90 градусов.

Заявленный заводом ресурс достигает 250 тысяч км, однако, в действительности, установка часто требует ремонта уже на 100-150 тысячах км пробега.

Номер силового Г4КД можно найти на площадке, где соприкасаются коробка и мотор.

Расход топлива

Расход топлива установки зависит от модели. Так, двигатель G4KD, установленный на полноприводной Киа Спортейдж 3 с 6-ступенчатой коробкой-автоматом, потребляет в среднем 10,6 литров топлива в городе, 6,8 литров на каждые 100 км по трассе и 8,2 литра в смешанном цикле. Для переднеприводной Киа Оптима четвертого поколения с 6АКПП эти показатели составляют 11,2 литра в режиме езды по городу, 5,8 литров на трассе, смешанный расход достигает 7,8 литров на 100 км.

Обзор неисправностей и способы их ремонта

Как и в дорестайлинговой версии, мотор G4NA не имеет проточек в поршнях, гнет клапана из-за соударения этих двух деталей ШПГ при перескоке звеньев или обрыве цепи ГРМ. Основными неисправностями силового привода являются:

При разрушении внутренностей каталитического нейтрализатора металлическая крошка попадает внутрь цилиндров. Чтобы избежать царапин и задиров, капремонта блока, следует внимательно отслеживать состояние катализатора.

Устройство, принцип работы VVT

Система Twin Turbo
За угловое смещение распределительного вала отвечает фазовращатель, представляющий собой гидромуфту, работой которой управляет ЭБУ двигателя.

Конструктивно фазовращатель состоит из ротора, который соединен с распредвалом, и корпуса, наружная часть которого является шестерней распределительно вала. Между корпусом гидроуправляемой муфты и ротором находятся полости, заполнение которых маслом приводит к перемещению ротора, а, следовательно, и смещению распредвала относительно шестерни. В полости масло подается по специальным каналам. Регулировка количества поступающего через каналы масла осуществляется электрогидравлическим распределителем. Распределитель представляет собой обычный электромагнитный клапан, который управляется ЭБУ посредством ШИМ-сигнала. Именно ШИМ-сигнал делает возможным плавное изменение фаз газораспределения.

Система управления, в образе ЭБУ двигателя, использует сигналы следующих датчиков:

• ДПКВ (рассчитывается частота вращения коленчатого вала);
• ДПРВ;
• ДПДЗ;
• ДМРВ;
• ДТОЖ.

Ввиду более сложной конструкции, система изменения фаз газораспределения посредством воздействия на коромысла клапанов кулачков разной формы получила меньшее распространение. Как и в случае с Variable Valve Timing, автоконцерны используют разные обозначения для обозначения схожих по принципу работы систем.

• Хонда — Variable Valve Timing and Lift Electronic Control (VTEC). Если на двигателе одновременно используется и VTEC, и VVT, то такая система носит аббревиатуру i-VTEC.
• БМВ — Valvelift System.
• Ауди — Valvelift System.
• Тойота — Variable Valve Timing and Lift with intelligence от Toyota (VVTL-i).
• Митсубиши — Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control (MIVEC).

Принцип работы

Система VTEC от Honda является, пожалуй, одной из самых известных, но и остальные системы работают по схожему типу.

Как вы можете увидеть из схемы, в режиме низких оборотов усилие на клапаны через коромысла передается набеганием двух крайних кулачков. При этом среднее коромысло двигается «вхолостую». При переходе в режим высоких оборотов давлением масла выдвигается запорный шток (блокирующий механизм), который превращает 3 коромысла в единый механизм. Увеличение хода клапанов достигается за счет того, что среднему коромыслу соответствует кулачок распредвала с наибольшим профилем.

Разновидность системы VTEC является конструкция, в которой режимам: низких, средних и высоких оборотов соответствуют разные коромысла и кулачки. На низких оборотах кулачком меньшей формы открывается только один клапан, в режиме средних оборотов два меньших по форме кулачка открывают 2 клапаны, а на больших оборотах наибольший кулачок открывает оба клапаны.

Крайний виток развития

Ступенчатое изменение продолжительности открытия и высоты подъема клапанов позволяет не только изменять фазы газораспределения, но и практически полностью снять с дроссельной заслонки функцию регулирования нагрузки на двигатель. Речь в первую очередь о системе Valvetronic от BMW. Именно специалисты БМВ впервые добились подобных результатов. Сейчас схожими разработками обладают: Toyota (Valvematic), Nissan (VVEL), Fiat (MultiAir), Peugeot (VTI).