Руль, Мотор и Тормоза. Фазы газораспределения двигателя. Фазы газораспределения их влияние на работу двигателя

Что такое фазы газораспределения и их влияние на работу двигателя.

Фаза газораспределения - это период от момента открытия клапанов до момента их закрытия, выраженные в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов.

Задача механизма газораспределения - обеспечить наивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения,зависит экономичность мотора, мощность и развиваемый момент .

В большинстве двигателей фазы меняться не могут и работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

Для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу. 

При работе на максимальной мощности ситуация меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить эту задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими.

При разработке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным.

Изменяемые фазы газораспределения.

Если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя?

 Один из способов это применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

Инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами.

 Например, в тойотовской системе VVTL-i после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000—6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

А если попробовать изменять высоту подъёма? Такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет от 8% до 15%, прирост мощности в пределах 5—15 %. Несмотря на то, что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать выше - за счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод заменяется электромагнитным.

 В чём плюс электромагнитного привода? Подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем. Даже во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный.

Если Вам понравился материал, поставьте, пожалуйста, лайк в вашей социальной сети.

cto-torsion.by

Фазы газораспределения

Лабораторная работа №3. Проверка фаз газораспределения ДВС.

Цель. Ознакомление на практике с организацией процессов газообмена в 4-х тактных и двухтактных двигателях; ознакомление с принципом работы и устройством распределительных механизмов приобретение практических навыков по регулировке ГРМ и проверке фаз газораспределения.

Правильный выбор фаз газораспределения оказывает значи­тельное влияние на целый ряд показателей работы двигателей: качество очистки и наполнения цилиндра, работу, затрачиваемую на газообмен, температурный уровень горячих деталей, условия работы выпускной тур­бины и компрессора, эффективность использования выпускных газов и др.

Как известно, для получения оптимальных условий газообмена целе­сообразно осуществлять начало открытия и конец закрытия газораспре­делительных органов с некоторым предварением открытия и запаздыва­нием закрытия, являющимися оптимальными для данного типа двигателя и условий его работы.

Предварение открытия выпускного органа (клапана или окна) до н. м. т. способствует эффективной очистке цилиндра от продуктов сгорания, достижению наибольших проходных сечений при положении поршня у н. м. т., снижению динамических нагрузок на кла­пан в начальной стадии его открытия, уменьшению затраты энергии на выталкивание продуктов сгорания и др.

Запаздыванием закрытия выпускного органа (за в.м.т.) обеспечи­вается: дополнительное удаление части остаточных газов за в.м.т. за счет эжектирующего действия потока выпускных газов; достаточное время — сечение для удаления газов в конце процесса выталкивания про­дуктов, сгорания; настройка характера импульсов в газовыпускной си­стеме и др.

Предварение открытия впускного клапана (до в.м.т.) создает условия для получения наибольших проходных сечений в клапанах к моменту на­чала наполнения (у в.м.т.) и осуществления продувки камеры сгорания (КС) за счет перекрытия клапанов.

Запаздывание закрытия впускного клапана (за н. м. т.) дает возмож­ность продлить процесс наполнения за н. м. т., использовать газодинами­ческий напор воздуха для дозарядки и осуществить продувку КС.

С увеличением степени быстроходности двигателей время действия клапана уменьшается; в связи с этим начало предварения и запаздывания впуска и выпуска следует соответственно увеличить.

Рис.1 Перекрытие впускных и выпускных клапанов

1 – свободный выпуск;2-принудительный выпуск;3 –продувка;

4 - наполнение

У большей части двигателей ( особенно с надувом) в результате запаздывания закрытия выпускных клапанов и предварения открытия впускных происходит перекрытие клапанов, т.е. одновременное открытие впускного и выпускного клапанов при положении поршня около в.м.т.(рис.1). Это способствует более совершенной очистке КС, интенсификации продувки КС и заполнению ее воздухом повышенного давления ( вдизелях с ГТН), а также снижению температуры горячих деталей КС

Фазы газораспределения зависят от типа двигателя, особенностей его конструкции, степени быстроходности и других факторов. Оптимальные фазы газораспределения устанавливают экспериментальным путем.

Рис.2. Влияние установки фаз выпуска Рис.3. Влияние фаз газораспределения на ηн

на ηн при переменной частоте вращения

Влияние неправильной установки фаз газораспределения, например для процесса выпуска газов, схематически показано на рис. 2. При слишком раннем открытии клапана (точка 2) уменьшается площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и мощность дизеля. К потери площади приводит и слишком позднее открытие клапана (точка 1). Правильная установка момента предварения выпуска (точка 3) обеспечивает наименьшие потери полезной части диаграммы ( сплошная кривая вправо от точки 3).

В судовых ВОД, работающих при переменной частоте вращения, разным значениям n соответсвует различные оптимальные фазы распределения (рис. 3): кривая 1 для высоких n; кривая 2 – для низких n. В эом случае желательно сходить из оптимальных фаз распеделения, обеспечивающих наиболее высокие ηн на основних, наиболее частых и длительных режимах работы.

В таблице приведены данные по фазам газораспределения четырехтактных судових ДВС.

studfiles.net

Влияние перекрытия фаз газораспределения на неравномерность работы двигателя на холостом ходу

Холостой ход, несмотря на кажущуюся простоту его реализации в бензиновых двигателях, является весьма «неудобным» режимом. На этом режиме двигатель задросселирован настолько, что производимой работы хватает только на то, чтобы обеспечить вращение коленчатого вала с минимальной устойчивой скоростью, привод механизма газораспределения с осуществлением процессов газообмена и привод вспомогательных агрегатов. Индикаторный КПД на режиме холостого хода минимален. Как оценить работу двигателя на холостом ходу? Если два одинаковых двигателя работают на холостом ходу с одинаковой дополнительной нагрузкой, то индикаторный КПД выше у того двигателя, у которого ниже цикловое наполнение воздухом и топливом (меньше подведенная теплота). Для удобства рассмотрения мы принимаем, что оба рассматриваемых двигателя работают по лямбда-регулированию и с одинаковым УОЗ. На цикловое наполнение цилиндра воздухом влияет давление во впускном трубопроводе, поэтому в дальнейшем ходе рассуждений давление во впускном трубопроводе будет одним из важных диагностических показателей работы двигателя. Рабочий процесс в двигателе, работающем на холостом ходу, происходит при весьма неблагоприятном сочетании условий:

1. Низкая скорость топливно-воздушной смеси в тактах впуска и сжатия не способствует хорошему смесеобразованию;
2. Продолжительное время рабочего цикла способствует интенсивному теплообмену рабочего тела с деталями двигателя;
3. Низкое давление во впускном трубопроводе является причиной низкой концентрации реагирующих веществ (углеводородов и кислорода), и, как следствие, процесс сгорания происходит медленно и нестабильно;
4. Перепад давлений между впускным и выпускным трубопроводами, в сочетании с большой продолжительностью всех процессов, приводит к обратному забросу отработавших газов в камеру сгорания, и далее во впускной трубопровод, в момент перекрытия фаз газораспределения, что еще больше снижает концентрации реагирующих веществ в камере сгорания.

На пункты 1 и 2 влияют исключительно конструктивные особенности двигателя. Поговорим теперь о пунктах 3 и 4 и их взаимном влиянии.

При работе над этим текстом была проведена серия экспериментов на двух шестицилиндровых рядных двигателях концерна BMW: 1) одновальном двигателе М30 с двумя клапанами на цилиндр и регулируемым тепловым зазором в приводе клапанов и 2) двухвальном двигателе М50 с четырьмя клапанами на цилиндр и гидравлическими толкателями в приводе клапанов. На двигателе М50, с индивидуальными валами впускных и выпускных клапанов, имеется весьма широкий диапазон возможной установки фаз газораспределения путем поворота распределительных валов вперед или назад относительно коленчатого вала. В указанной серии испытаний распределительные валы поворачивались вперед и назад на угол до 10 градусов ПКВ. На одновальном двигателе с регулируемым тепловым зазором в приводе клапанов ширина фаз газораспределения и их взаимное перекрытие зависит от величины тепловых зазоров в приводе клапанов. В проведенной серии испытаний зазор в приводе клапанов изменялся от 0,1 мм до 0,5 мм (при норме 0,3 мм).

На рисунке представлен фрагмент работы двигателя М50 с увеличенной шириной перекрытия фаз газораспределения – впускной вал повернут вперед на 10° ПКВ, выпускной – назад на 10° ПКВ.

На обоих двигателях, при уходе от заводских установок в сторону увеличения угла взаимного перекрытия фаз газораспределения, наблюдалась схожая картина: неравномерность работы двигателя резко возрастала.

На втором рисунке представлен фрагмент работы того же двигателя при заводской установке распределительных валов. Можно отметить, что помимо выравнивания эффективности работы цилиндров, уменьшилось давление во впускном коллекторе и сократилось время активации форсунок, то есть уменьшилось наполнение цилиндров ТВС. Также снизились пульсации давления в коллекторе, уменьшилась амплитуда напряжения на расходомере воздуха.

При дальнейшем уменьшении угла перекрытия фаз газораспределения наблюдалось незначительное снижение неравномерности частоты вращения.

Как уже упоминалось выше, давление во впускном трубопроводе двигателя, при работе его на холостом ходу, является весьма важным параметром, связанным с неравномерностью его работы. От этого параметра во многом зависит, какое количество рабочей смеси попадет в цилиндр. Величина давления во впускном коллекторе оказывает существенное влияние на обратный заброс газов: чем ниже давление во впускном коллекторе, тем большим будет перепад давлений между впускным и выпускным коллектором, то есть перепад, под действием которого происходит обратный заброс. Если мы начинаем увеличивать угол перекрытия фаз газораспределения (время-сечение, когда открыты оба клапана), то тем самым мы резко увеличиваем обратный заброс. Отработавшие газы из выпускного трубопровода попадают через открытые клапана и камеру сгорания во впускной трубопровод. Во время впуска в цилиндр сначала поступают попавшие из выпускного трубопровода отработавшие газы, а затем только свежая смесь. При неизменном давлении во впускном трубопроводе это приведёт к замещению части свежего заряда отработавшими газами (снижение циклового наполнения свежей смесью) и снижению концентрации реагирующих веществ. Оба этих фактора ведут к снижению эффективности рабочего цикла. Компенсационной мерой для поддержания заданной частоты вращения двигателя является увеличение расхода воздуха (и топлива). Это приводит к росту давления во впускном коллекторе (снижению перепада давлений между впускным и выпускным трубопроводами) и, как следствие, частичному сокращению обратного заброса отработавших газов. Соответственно, каждому взаиморасположению фаз газораспределения соответствует свой расход воздуха и топлива и свое давление во впускном коллекторе, обеспечивающие работу двигателя на заданных оборотах холостого хода.

Теперь, рассмотрев влияние фаз газораспределения на работу двигателя, постараемся понять, почему незначительное увеличение перекрытия фаз газораспределения (10 – 20 градусов поворота коленчатого вала) приводит к столь ощутимому увеличению уровня неравномерности частоты вращения? При работе на холостом ходу средняя частота вращения коленчатого вала поддерживается блоком управления двигателем на заданной величине. Поршневой двигатель – машина дискретного типа, и эффективность работы серии рабочих тактов не может быть абсолютно одинаковой. Это особенно относится к холостому ходу, неблагоприятность режима которого была отмечена выше. И, даже если значения средней эффективности, посчитанные по всем цилиндрам двигателя, за какой-либо промежуток времени работы двигателя (5 – 10 секунд) близки к нулю, при рассмотрении серии последовательных рабочих циклов в одном цилиндре наблюдается чередование циклов с положительной и отрицательной эффективностью. Под эффективностью понимается изменение скорости вращения коленчатого вала на промежутке между ВМТ двух последовательно работающих цилиндров. Если частота вращения возросла – эффективность положительная, снизилась – отрицательная. При работе двигателя с увеличенным углом перекрытия фаз газораспределения рабочие такты с положительной и отрицательной эффективностью могут следовать в самых различных комбинациях. Но, если проследить последовательно эффективности работы каждого цилиндра на выбранном промежутке времени работы двигателя, то обнаруживается интересный факт: в каждом цилиндре рабочие такты с положительной и отрицательной эффективностью следуют со строгим чередованием. То есть, если в одном цикле, например, пятый цилиндр имеет положительную эффективность то в следующем – отрицательную, затем – вновь положительную и так далее. При этом каждый цикл состоит из комбинации рабочих тактов с положительной и отрицательной эффективностью, двигатель сильно раскачивается на опорах, а средняя эффективность рабочих тактов равна нулю. Попробуем разобраться, чем вызвана такая работа двигателя? Как уже упоминалось, при увеличении угла перекрытия фаз, в цилиндр попадает значительно большее количество продуктов сгорания от предыдущего рабочего такта, ранее выброшенных в выпускной тракт. Эти продукты снижают концентрацию реагирующих веществ, и процесс сгорания в очередном рабочем цикле идёт плохо и неполно. Соответственно, продукты горения этого рабочего такта содержат много кислорода и углеводородов, и когда этими продуктами разбавляется свежая смесь последующего рабочего такта, то итоговая концентрация реагирующих веществ в нём оказывается выше, чем у двигателя с нормальным углом перекрытия фаз (этому способствует более высокое давление во впускном коллекторе). В результате получается рабочий такт с высокой эффективностью и, соответственно, с хорошей полнотой сгорания. Продукты этого, эффективного рабочего такта, содержат мало кислорода и углеводородов и, разбавляя собой свежую смесь очередного рабочего такта, приводят к его низкой эффективности. Таким образом, этот процесс повторяется и происходит во всех цилиндрах двигателя.

Из этого следует вывод – если повышенная неравномерность работы двигателя обусловлена чередованием эффективных и неэффективных циклов в каждом цилиндре, то причиной этого, скорее всего, являются слишком широкие фазы газораспределения.

Детально пронаблюдать эту картину можно только после обработки зарегистрированного фрагмента работы ДВС. Диагностический сканер такой возможности не дает. Следующий вывод – незначительное уменьшение угла перекрытия клапанов может значительно снизить неравномерность вращения коленчатого вала, это будет показано в следующем обзоре.

На рисунке представлены два фрагмента работы продолжительностью около 5 секунд одного и того же двигателя М60 (V8) на холостом ходу. Первый фрагмент – работа двигателя до ремонтного воздействия, второй после корректировки фаз и промывки форсунок. До ремонтного воздействия можно отметить высокую нестабильность частоты вращения коленчатого вала (красный график). Видно как ЭБУ пытается стабилизировать частоту вращения путем увеличения УОЗ и открытием РДВ. Как только частота вращения начинает снижаться, из-за низкой эффективности рабочего процесса в каком-нибудь цилиндре, ЭБУ стремится увеличить эффективность в последующих циклах путем увеличения УОЗ и подачей большого количества воздуха. Эти действия ЭБУ хорошо видны на графике. Следствием открытия РДВ являются бросок на графике расхода воздуха, увеличение давления во впускном коллекторе и увеличение цикловой подачи топлива. При сравнении цветных графиков (до ремонтного воздействия) и черных (после промывки форсунок и корректировки фаз газораспределения) видно существенное снижение амплитуды колебания, как графика частоты вращения, так и стабилизирующих воздействий ЭБУ. Разброс значений УОЗ и скважности РДВ являются косвенными показателями стабильности работы ДВС и нахождении всех его систем вблизи расчетных характеристик.

Совместный анализ графиков работы ДВС до ремонтного воздействия позволяет сделать важные выводы о причинах нестабильной работы двигателя. Неодинаковость протекания рабочего процесса различных цилиндров вызывает отклонение частоты вращения от заданной, а воздействие ЭБУ направленно на стабилизацию частоты вращения. Следовательно, причину нестабильности следует искать в механизмах двигателя (компрессия, фазы ГРМ) или в его исполнительных органах (форсунки, свечи).

На следующем рисунке (большее разрешение, время около 0,5 секунд) хорошо видна эта причинно-следственная связь.

Ситуация могла быть иной, если бы из-за неисправности какого-либо датчика. ЭБУ выдавал бы воздействия, которые приводили бы к дестабилизации скорости вращения коленчатого вала.

Рассмотрим более подробно причины повышенной неравномерности работы двигателя М60 на холостом ходу. Анализируя большое количество зарегистрированных фрагментов, относящихся к работе двигателей М60, можно сделать вывод, что его нестабильная работа вызвана рядом факторов, при неудачном сочетании которых двигатель работает очень неравномерно. Результат неблагоприятного сочетания факторов представлен на следующем рисунке.

Рассмотрим по порядку эти факторы.

1. Клапан вентиляции картера расположен на задней части впускного коллектора и картерные газы (прорвавшиеся отработавшие газы) поступают в 8-й (примерно 55%) и 4-й (примерно 30%) цилиндры. Фактически, в 8-й и 4-й цилиндры вводится рециркуляция отработавших газов, что снижает эффективность их работы. Для двигателя с малым износом и малым объемом прорывающихся газов это не значимо, но по мере увеличения прорыва, это становится значимым.
2. Теперь посмотрим на порядок работы двигателя М60: 1-5-4-8-6-3-7-2. 4-й и 8-й цилиндры, обладающие меньшей эффективностью из-за рециркуляции картерных газов, работают друг за другом. После 8-го следует рабочий процесс в 6-м цилиндре, имеющий также пониженную эффективность. Это приводит к тому, что провал (снижение частоты вращения) становится более ощутимым, как бы «тяжелым».
3. Первый и второй полублоки имеют независимую обратную связь по лямбда-регулированию. Это значит, что не происходит усреднения: разные условия протекания рабочего процесса по полублокам (разная эффективность работы цилиндров первого и второго полублоков) поддерживаются блоком управления, как бы «узакониваются». Как уже отмечалось, в 8-й цилиндр поступает больше всего картерных газов. Эти картерные газы не содержат кислород и замещают собой часть свежего воздуха и в 8-й цилиндр, в результате, поступает меньше кислорода. Во все цилиндры одного полублока подается одинаковое количество топлива, и, в результате, в 8-м цилиндре смесь оказывается обогащенная. Лямбда зонд второго полублока усредняет результат работы 5, 6, 7, 8 цилиндров, и, если в 8-м цилиндре смесь обогащенная, то в 5, 6, 7 цилиндрах несколько обедненная. Возможно, это причина, почему второй полублок у М60 на холостом ходу имеет в среднем более низкую эффективность, чем первый.

Еще одной причиной, вызывающей неодинаковую работу полублоков, является наличие у М60 четырех распределительных валов, взаиморасположение которых между собой и относительно коленчатого вала не всегда является оптимальным. При увеличении угла перекрытия клапанов эффективность работы двигателя на холостом ходу снижается. Это объясняется повышением обратного заброса отработавших газов в цилиндр в момент перекрытия клапанов. Это происходит из-за того, что при работе на холостом ходу давление во впускном коллекторе около 0.4 бара, а в выпускном близко к атмосферному. В момент перекрытия, когда оба клапана приоткрыты, отработавшие газы перетекают из выпускного коллектора обратно в цилиндр. Нужно отметить нелинейную зависимость изменения эффективности работы двигателя от ширины перекрытия фаз газораспределения. При малом перекрытии двигатель ровно работает на холостом ходу, но под нагрузкой наполнение цилиндров свежим зарядом отличается от максимального. Нужно найти золотую середину, когда двигатель работает приемлемо и на холостом ходу, и под нагрузкой.

На предыдущем рисунке распределительные валы стоят строго по меткам. При этом можно отметить явно не одинаковую эффективность работы двух полублоков. Первый полублок работает значительно эффективнее. Теперь посмотрим на линию цикловой подачи топлива. В первый полублок топлива подается явно больше. Не будем забывать, что двигатель работает по лямбда-регулированию, следовательно, меньшая подача топлива во второй полублок вызвана поступлением меньшего количества воздуха. Давление перед впускными клапанами первого и второго полублока одинаково – общий впускной коллектор. Таким образом, мы неизбежно приходим к выводу, что меньшая подача топлива во второй полублок вызвана меньшим наполнением воздухом из-за обратного заброса отработавших газов из выпускного коллектора в момент перекрытия клапанов. Повернув вперед выпускной распределительный вал второго полублока, мы добились более раннего закрытия выпускных клапанов.

Угол перекрытия клапанов второго полублока уменьшился, снизился заброс отработавших газов, повысилась эффективность работы второго полублока. Это вызвало снижение цикловой подачи в целом по двигателю. Если раньше цикловая подача составляла для первого полублока 3.79 мс., для второго 3.41 мс., то теперь она выровнялась и составила для обоих полублоков 3.19 мс., что свидетельствует о сокращении расхода воздуха. Соответственно, на 0,05 бара снизилось давление во впускном коллекторе. Двигатель стал работать значительно ровнее. При анализе свободного разгона двигателя до и после коррекции положения выпускного распределительного вала второго полублока видимых различий не выявлено.

к.т.н. А.В. Александров, к.т.н. И.А. Долгов

www.madi-auto.ru

Руль, Мотор и Тормоза. Фазы газораспределения двигателя

Фаза газораспределения - это период от момента открытия клапанов до момента их закрытия, выраженные в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов.

Задача механизма газораспределения — обеспечить наивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения,зависит экономичность мотора, мощность и развиваемый момент.

Влияние фаз газораспределения на работу двигателя

В большинстве двигателей фазы меняться не могут и работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

Для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.

При работе на максимальной мощности ситуация меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить эту задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими.

При разработке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких.И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным.

Изменяемые фазы газораспределения

Если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя?

Один из способов это применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

Инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами.

Например, в тойотовской системе VVTL-i после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000—6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

А если попробовать изменять высоту подъёма? Такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет от 8% до 15%, прирост мощности в пределах 5—15 %.

Несмотря на то, что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать выше - за счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод заменяется электромагнитным.

В чём плюс электромагнитного привода?

Подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем. Даже во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный.

Источник

comfycozyhome.ru

Фазы газораспределения в поршневых двигателях

Kачество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.

В большинстве современных двигателей фазы меняться не могут. И работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопа) в цилиндре, а также во впускном и выпускном трактах меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

Фазы газораспределения в поршневых двигателях внутреннего сгорания — это моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (окон). Фазы газораспределения обычно выражаются в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов.

Так, например, для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.

Тюнеры часто мудрят со сдвигом фаз при помощи таких сборных звёздочек. Заменив штатный распредвал на «спортивный» с другими фазами, можно добиться существенной прибавки мощности.

При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего

момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.

Хондовская VTEC (Variable Valve Timing and Electronic Control) так же, как и тойотовская VVT-I (Variable Valve Timing with intelligence), позволяет плавно изменять фазы газораспределения фазовращателем с гидравлическим управлением. Это достигается путём поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных клапанов в диапазоне 40—60° (по углу поворота коленчатого вала).

Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Вот так задачка!

Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими.

Doppel-VANOS (Doppel Variable Nockenwellen Steuerung) от BMW умеет двигать фазы плавно от начального до конечного значения. При помощи гидравлики система заведует как процессами впуска, так и выпуска.

А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них — применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

Механизм газораспределения 3,2-литровой «шестёрки» FSI от Audi приводится цепями со стороны маховика. У каждого распределительного вала свой фазовращатель.

Но неуёмные инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами. Например, в тойотовской системе VVTL-i после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000—6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

Система Valvetronic позволила отказаться от дроссельной заслонки, система меняет и степень открытия клапанов и фазы. Применяется она на моторах BMW с 2001 года. Ход клапана меняется при помощи электродвигателя и сложной кинематической схемы и пределах 0,2–12 мм.

Изменять момент и продолжительность открытия — это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).

Чем вредна заслонка? Она ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно приводит? К большой инертности разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшению качества наполнения цилиндра свежим зарядом, снижению отдачи и уменьшению скорости отклика на нажатие педали газа.

Система Variable Valve Event and Lift System (VEL), разработанная Ниссаном, напоминает баварский Valvetronic. Специальный эксцентрик, который приводится от электродвигателя, смещает точку опоры коромысла, и за счёт этого изменяет ход клапана. Высота подъёма варьируется в пределах 0,5–2 мм.

Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения нужного наполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По разным данным, экономия от применения системы бездроссельного управления может составлять от 8% до 15%, прирост мощности и момента в пределах 5—15 %. Но и это не последний рубеж.

Так работает «трёхступенчатый» i-VTEC (Intelligent Variable Valve Timing and Lift Electronic Control). На низкой частоте вращения топливо экономится благодаря тому, что половина впускных клапанов практически дезактивирована. При переходе на средние обороты ранее «дремавшие» клапаны включаются в работу, но их амплитуда не максимальна. На мощностных режимах впускные клапаны начинают работать от единственного центрального кулачка. Он обеспечивает максимальный подъём клапанов, кроме того, его профиль специально заточен под мощностные режимы. Управление режимами осуществляется гидравликой и электроникой.

Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.

Осенью 2007 года Toyota запустит в производство моторы с газораспределительным механизмом Valvematic, который будет изменять не только фазы газораспределения, но и высоту подъёма впускных клапанов. Не секрет, что многие производители достаточно давно применяют подобные системы. Но Toyota в серию такую систему запускает впервые. Мощность двухлитрового атмосферника 1AZ-FE, благодаря новому газораспределительному механизму, удалось поднять со 152 до 158 сил, а момент — с 194 до 196 Нм.

В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы — прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?

А это схема работы механизма VVTL-i, предложенная компанией Toyota. Здесь высота подъёма и продолжительность открытия обоих впускных клапанов изменяются скачкообразно. При работе двигателя на частотах вращения коленчатого вала до 6000 об/мин высота подъёма и продолжительность открытия обоих клапанов задаются кулачком (1), который через рокер (5) воздействует на оба клапана. На оборотах выше 6000 закон движения клапанов задаётся более высоким кулачком (2). Чтобы ввести его в строй, нужно переместить сухарь (3) вправо (сухарь перемещается под давлением масла, которое в нужный момент повышается в управляющей магистрали). После того как сухарь переместился вправо, кулачок (2) через шток (4), который до этого времени свободно качался, начинает воздействовать на клапаны через рокер.

Опытный образец четырёхцилиндрового мотора с электромагнитным приводом клапанов и непосредственным впрыском был создан компанией BMW. Здесь количество воздуха, поступающего в цилиндр, регулируется продолжительностью открытия клапана, ход при этом не регулируется. Якорь подпружиненного клапана помещён между двумя мощными электромагнитами, которые призваны удерживать его только в крайних положениях. Чтобы предотвратить ударные нагрузки, каждый раз при приближении к крайнему положению клапан тормозится. Положение и скорость перемещения клапана фиксируются специальным датчиком.

Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это — уже совсем другой разговор.

[/spoiler]

avto.win7ka.ru

• 
  Газ 279964
• 
  Газ 3009а1
• 
  33307 газ
• 
  Бензовоз газ 53 характеристики
• 
  Газ 66 габариты кузова
• 
  Газ 24 порядок зажигания
• 
  Газ 53 бензовоз характеристики
• 
  Газ 31027 технические характеристики
• 
  Какой привод у газели
• 
  Газ 3307 расход топлива бензин
• 
  Соболь газ википедия