Устройство автомобилей





Фазы газораспределения



При рассмотрении рабочих циклов поршневых двигателей условно принималось, что открытие и закрытие клапанов происходит в момент нахождения поршня в верхней или нижней мертвой точке (ВМТ или НМТ).
фазы газораспределения в двигателе В действительности, при работе реальных двигателей, клапаны открываются с опережением и закрываются с запаздыванием относительно мертвых точек, за счет чего достигается значительное улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом и эффективное удаление из них отработавших газов.

Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленчатого вала по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов, называются фазами газораспределения.

Как известно, основная функция механизма газораспределения - обеспечить максимальную эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения, зависит экономичность и мощность двигателя, а также его тяговые и динамические характеристики.

В двигателях без наддува впускной клапан открывается за 10…30˚ поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ и закрывается через 50…80˚ после прохождения поршнем НМТ. Выпускной клапан открывается за 40…70˚ до НМТ и закрывается после прохождения поршнем ВМТ через 10…50˚ поворота коленчатого вала. Чем быстроходнее двигатель, тем больше значение этих углов (шире фазы газораспределения).

Открытое состояние впускного клапана в начале такта сжатия обеспечивает продолжение наполнения цилиндра из-за инерции свежего заряда и разности давления окружающей среды и давления в цилиндре в начале сжатия. Опережение открытия впускного клапана рассчитывают так, чтобы к моменту прихода поршня в ВМТ клапан был уже открыт.

диаграмма фаз газораспределения

Предварение открытия выпускного клапана до прихода поршня в нижнюю мертвую точку (НМТ) обеспечивает очистку цилиндра на начальном этапе вследствие избыточного давления в цилиндре, поэтому работа поршня по выталкиванию газов при такте выпуска значительно уменьшается, что способствует повышению мощности двигателя.

Так как впускной клапан открывается в конце выпуска, а выпускной закрывается в начале впуска, то возникает период времени, когда оба клапана одновременно открыты. Этот период называется перекрытием клапанов. В двигателях с наддувом эти углы увеличивают.
Во время перекрытия клапанов, когда одновременно в цилиндр поступает свежий заряд, а через выпускной клапан удаляются отработавшие газы, происходит продувка цилиндров, которая улучшает газообмен. Очевидно, что наддув эффективен для дизельных двигателей, поскольку продувка цилиндров в них осуществляется чистым воздухом, а не рабочей смесью, как в карбюраторных двигателях.

Диаграмма фаз газораспределения показана на рис. 1.

Фазы газораспределения зависят от профиля кулачка распределительного вала и взаимного расположения кулачков. Если профили впускных и впускных кулачков одинаковы, то продолжительность открытого состояния клапанов тоже будет одинакова.

***

Изменяемые фазы газораспределения

В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах и при любых режимах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования для каждого конкретного режима.

Для примера рассмотрим, какие требования к газораспределению предъявляет двигатель при различных условиях нагрузки и работы.

Режим холостого хода

На этом режиме работы следует устанавливать такой угол поворота распределительного вала, который соответствует самому позднему началу открытия впускных клапанов (максимальный угол задержки, при минимальном перекрытии клапанов). Этим обеспечивается минимальное поступление отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя и снижение расхода топлива.

Режим низких нагрузок

При работе в режиме низких нагрузок перекрытие клапанов необходимо уменьшить для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.

Режим средних нагрузок

В этом режиме необходимо увеличить перекрытие клапанов, что позволит снизить «насосные» потери. При этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет повысить температуру рабочего цикла сжатия и уменьшить ее в процессе такта сгорания (рабочего хода), что, в свою очередь, приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах и повышению температурного КПД двигателя.

Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала

На этом режиме должно обеспечиваться раннее закрытие впускных клапанов, чтобы обеспечить увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно при движении в городском транспортном потоке.

Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала

Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо обеспечить перекрытие клапанов около ВМТ с большим углом поворота коленчатого вала. Это связано с тем, что мощность в наибольшей степени зависит от максимально возможного количества топливно-воздушной смеси, попадающей в цилиндр за короткое время, но, чем выше частота вращения, тем меньше время, отводимое на заполнение цилиндра.





Приведенный выше анализ показывает, что механизм газораспределения должен чутко подстраиваться под конкретные условия работы двигателя, чтобы обеспечить наиболее эффективное выполнение двигателем своих функций. Очевидно, что газораспределительный механизм должен уметь изменять фазы газораспределения в зависимости от режима работы двигателя.

Осознание конструкторами необходимости применения "гибких" ГРМ, способных изменять фазы газораспределения в следящем режиме в зависимости от условий работы двигателя привело к созданию различных систем и технических решений, позволивших воплотить эту идею в жизнь.

Основными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

  • улучшение качества работы двигателя на холостом ходу;
  • повышение топливной экономичности двигателя;
  • оптимизация крутящего момента в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала;
  • увеличение внутренней рециркуляции отработавших газов с сопутствующим ей снижением температуры газов при сгорании и уменьшением выброса оксидов азота;
  • увеличение мощности в области высоких частот вращения коленчатого вала.

Чтобы варьировать фазами газораспределения во время работы двигателя необходимо каким-либо образом изменять положение распределительного вала относительно коленчатого вала. При этом принцип действия привода поворота распределительного вала, для изменения фаз газораспределения, может быть любым - механическим, гидравлическим, электрическим или пневматическим.

Впервые изменение фаз газораспределения было применено на автомобилях Альфа Ромео в 1983 году. После этого такие системы стали применяться на автомобилях Мерседес, Ниссан, БМВ, Порше и др.
фазы газораспределения в двигателе В 90-е годы все больше и больше двигателей стали оборудоваться системами изменения фаз газораспределения таким образом, что угол перекрытия клапанов мог изменяться в соответствии с режимами работы двигателя. В этих системах, применяемых на двигателях DOHC (с двумя распределительными валами), монтировалось специальное устройство в приводную шестерню распределительного вала впускных клапанов. Такие устройства называют изменяемыми фазами газораспределения VIVT (Variable inlet valve timing).

В связи с все более повышающимися требованиями к уменьшению выбросов токсичных веществ с отработавшими газами в настоящее время разработаны устройства, которые могут изменять фазы газораспределения во всем диапазоне возможной частоты вращения коленчатого вала двигателя, как для впускных, так и для выпускных клапанов, что позволяет регулировать количество остаточных отработавших газов в камере сгорания.
Бесступенчатое изменение фаз газораспределения позволяет, также, улучшить работу двигателя на холостом ходу и полных нагрузках, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности.

Альтернативной механическим системам явилась более дешевая конструкция системы изменения фаз газораспределения с использованием гидроуправляемой муфты - фазовозвращателя. Такая муфта 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 системе VVTL-i, разработанной специалистами фирмы Тойота, после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу включается дополнительный - с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иную кинематику движения клапана и изменяет фазы газораспределения. При повышении частоты вращения коленчатого вала свыше 6500...8000 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, способное придать автомобилю динамический рывок при ускорении.

фазы газораспределения в двигателе

В настоящее время системы непрерывного изменения фаз газораспределения применяются на двигателях Ауди, Фольксваген, Тойота, Рено, Вольво и др.

Еще одно техническое решение проблемы – изменение высоты подъема клапанов, позволяющее варьировать процесс газообмена при помощи различных систем управления. В таких системах высота подъема клапанов и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа, т. е. при помощи бездроссельного управления.
Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет 8...15%, прирост мощности - в пределах 5...15 %.

В последнее время механический привод управления скоростью и высотой подъема клапанов все чаще вытесняет электромагнитный привод, как более чуткий к сигналам управляющих устройств.
Высоту, время и скорость подъёма клапана в этом случае можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника, в соответствии с заданной программой, может периодически не открывать "ненужные" клапаны, или вовсе отключать цилиндры от газообмена. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем.

Работа инженеров и конструкторов по оптимизации и совершенствованию систем газораспределения двигателей внутреннего сгорания ведется непрерывно, чтобы полностью использовать потенциал увеличения динамических и скоростных характеристик двигателей, их экономичности и экологической безопасности.

***

Общие сведения об автомобилях