Устройство автомобилей




Многоклапанные двигатели



Зависимость мощности двигателя от эффективности газообмена

От эффективности газораспределительного механизма (ГРМ) во многом зависят динамические характеристики двигателя внутреннего сгорания.
двигатели типа DOHC На современных четырехтактных двигателях, особенно, используемых для легковых автомобилей, применяют многоклапанные газораспределительные механизмы, позволяющие существенно повысить эффективность газообменных процессов в цилиндрах. Конечно, такие механизмы существенно сложнее по конструкции, чем классические ГРМ, содержащие по два клапана на цилиндр (впускной и выпускной), но, как говорится, игра в данном случае стоит свеч, и повышение динамических и экономических характеристик двигателя с лихвой окупает усложнение его конструкции.

Рассмотрим факторы, влияющие на мощность двигателя – один из основных показателей, характеризующих его динамические возможности.
Мощность любого двигателя, у которого механическая энергия снимается с вращающегося звена – вала, прямо пропорциональна крутящему моменту на этом валу и частоте его вращения, и в общем случае может быть определена по формуле:

N = Mω = Мπn/30,

где: N – мощность, кВт; M – крутящий момент, кНм; ω – угловая скорость вала, с-1; n – частота вращения вала, об/мин; π/30 – коэффициент перехода от угловой скорости к частоте вращения.

Т. е. по сути, мощность – величина эмпирическая, поэтому массивный, но малооборотистый двигатель грузовика может уступать по мощности портативному двигателю легкового автомобиля, развивающего относительно небольшой крутящий момент на валу при большой частоте вращения этого вала.

Крутящий момент М на выходном валу двигателя (для поршневого ДВС – на коленчатом валу) зависит от следующих основных факторов:
- диаметра цилиндра и давления газов, образующихся при сгорании топлива, формирующих силу, воздействующую на поршень;
- соотношения длин кривошипа и шатуна (рычаг силы давления газов).

Очевидно, что диаметр цилиндра и соотношения длины кривошипа и шатуна не имеют прямого отношения к эффективности работы ГРМ, поэтому рассмотрим, как от этого параметра будет зависеть давление газов в цилиндрах во время рабочего хода.

Давление газов зависит от нескольких факторов – количества горючей смеси, поступившей в цилиндры (т. е. от рабочего объема двигателя и эффективности его наполнения горючей смесью) и скорости сгорания смеси (т. е. от качества топлива и степени сжатия смеси).
Не следует забывать, что в цилиндрах перед воспламенением присутствует не горючая, а рабочая смесь, которая содержит не только топливо и воздух, но и некоторое количество отработавших газов, не успевших покинуть цилиндры при такте выпуска. Количество отработавших газов, оставшихся в цилиндрах после такта выпуска, негативно сказывается на мощности двигателя, косвенно уменьшая его рабочий объем.

Итак, вывод – крутящий момент на валу двигателя пропорционален количеству горючей смеси, поступившей в цилиндр, и обратно пропорционален количеству отработавших газов, содержащихся в рабочей смеси перед ее воспламенением. Оба этих фактора, конечно же, неразрывно связаны с эффективностью газообменных процессов, т. е. работой ГРМ – чем быстрее и полнее наполнятся цилиндры, и чем качественнее будут удалены продукты сгорания, тем выше мощностные показатели двигателя.

Газообмен в быстроходных двигателях

Особую актуальность скорость газообмена в цилиндрах обрела с появлением быстроходных (высокооборотистых) двигателей. Для увеличения мощности двигателей, применяемых на легковых автомобилях, конструкторы пошли по пути повышения частоты вращения выходного звена (коленчатого вала).
Повышение мощности таких двигателей за счет увеличения крутящего момента приводит к росту габаритов и металлоемкости силового агрегата. А поскольку варьировать величиной крутящего момента на ведущих колесах позволяет оптимизация передаточных чисел трансмиссии, повышение частоты вращения коленчатого вала – основная тенденция совершенствования двигателей легковых автомобилей.

Частоту вращения вала можно увеличить за счет повышения скорости сгорания топлива (применением качественного топлива и повышением степени сжатия смеси), снижением инерционных нагрузок на детали КШМ за счет уменьшения их массы, а также оптимизацией соотношения длин кривошипа и шатуна.
Очевидно, что для повышения оборотистости двигателя увеличение рабочего объема его цилиндров не актуально, зато именно в этом случае значительную роль играет скорость и эффективность газообменных процессов.

Но при увеличении частоты вращения время, отводимое на газообмен, существенно уменьшается, что приводит к неполному удалению продуктов сгорания из цилиндров при такте выпуска и некачественному наполнению их горючей смесью при такте впуска.
Частота вращения коленчатого вала современного двигателя легкового автомобиля в номинальном режиме достигает 5000…6000 об/мин и даже более, а максимальная частота вращения может вдвое превышать этот показатель. Поэтому время, отводимое на газообмен в цилиндрах, ничтожно мало, и его следует использовать максимально эффективно.



С этой целью конструкторы применяют два основных способа – использование оптимальных фаз газораспределения (в том числе – регулируемых) и увеличение пропускной способности впускного и выпускного трактов, что может достигаться использованием наддува или увеличением проходного сечения трактов.
О фазах газораспределения можно почитать в этой статье, а наддув на быстроходных бензиновых двигателях, как показала практика, мало оправдывает себя. Поэтому здесь мы остановимся на способах увеличения проходного сечения трактов впуска и выпуска для повышения мощности двигателя за счет эффективного газообмена.
Величина проходного сечения газообменных трактов ограничивается площадью клапанных тарелок, поэтому здесь тоже имеется два пути – либо увеличение площади тарелки двухклапанной схемы ГРМ, либо использование нескольких клапанов для каждого тракта, т. е. многоклапанной схемы.

Классическая двухклапанная схема ГРМ представлена на рис. 1, а. Для упрощения расчетов диаметры тарелок впускного и выпускного клапана изображены равными, при этом условно считаем их внешний диаметр диаметром проходного сечения соответствующего тракта. многоклапанные двигатели Из схемы видно, что максимальный диаметр тарелки клапана даже в идеальном случае не может превышать половины диаметра цилиндра, тогда пропускное сечение каждого клапана будет равно:

Sк = πD2/16 ≈ 0,196 D2.

где D – диаметр цилиндра двигателя.

Теперь рассмотрим проходное сечение тарелки клапана четырехклапанного ГРМ, представленного на рис. 1, б.
В этом случае сечение тарелки одного клапана может быть определено по формуле:

Sк = π[(√2D/4) /(1 + √2/2)]2 ≈ 0,135 D2.

Поскольку на каждый тракт (впуска и выпуска) приходится по два клапана, то проходное сечение будет в два раза больше, т. е. Sк ≈ 0,27 D2.

Приведенные геометрические расчеты показывают, что проходное сечение впускного и выпускного тракта четырехклапанного двигателя увеличивается в 1,38 раза по сравнению с проходными сечениями трактов двухклапанного двигателя. Конечно же, это существенная прибавка к повышению эффективности газообмена в цилиндрах, и, как следствие, увеличению мощности двигателя и его экономичности.

Кроме повышения эффективности газообмена многоклапанные ГРМ имеют и еще одно преимущество – снижаются инерционные нагрузки в клапанном механизме из-за уменьшения массы клапанов. Это позволяет снизить риск появления негативного эффекта зависания клапанов при большой частоте вращения коленчатого вала.
Но, конечно же, во главе идеи стоит газообмен. По этой причине в подавляющем большинстве современных высокооборотистых двигателей используется четырехклапанная система газораспределения.

Двигатели типа DOHC

Практическая реализация привода такого клапанного механизма осуществляется, как правило, применением двух распределительных валов – отдельно для выпускных и впускных клапанов, которые располагаются на головке блока (для уменьшения числа промежуточных звеньев механизма) и вращаются синхронно. Впрочем, иногда конструкторы используют расположение клапанов под углом друг к другу, и это позволяет приводить их в действие одним распределительным валом посредством промежуточных рычагов - рокеров.
В современных конструкциях двухвальных ГРМ частота вращения каждого из распределительных валов корректируется механизмами управления фазами газораспределения в автоматическом режиме.

Двигатели, имеющие два распределительных вала для управления клапанами получили название DOHC (русск. – «ДОШЦ» или «ДОХС»). Расшифровка аббревиатуры (Double Over Head Camshaft) означает, что газораспределительный механизм двигателя имеет два распределительных вала с верхним расположением. Иногда двигатели с двумя распределительными валами в среде русскоязычных механиков называют ДВРВ («Два Верхних Распределительных Вала»).

Систему газораспределения двигателя с одним распредвалом называют SOHC (Single Over Head Camshaft).
Следует отметить, что многоклапанные двигатели с одним распределительным валом относят к типу SOHC, а не типу DOHC, т. е. данное название относится к двухвальным ГРМ. При этом если даже двигатель V-образный, т. е. имеет две головки блока с двумя распределительными валами на каждой (четыре вала), такой двигатель все равно относят к типу DOHC.

Впервые двигатели типа DOHC были использованы в 1913 году инженерами французской фирмы «Peugeot» на одном из гоночных автомобилей. Эффект от нововведения был убедительным, однако в производственных масштабах идея обрела популярность только с появлением высокофорсированных оборотистых двигателей.

Четырехклапанные двигатели – не предел технических фантазий разработчиков и конструкторов. Существуют двигатели с пятью и даже шестью клапанами на каждый цилиндр. Такие двигатели устанавливаются на некоторые модели автомобилей фирм «Audi» и «Maserati» (см. рис. ниже), но на современном этапе – лишь в качестве экспериментальных разработок. При этом конструкторы преследуют ту же цель – улучшение динамических и экономических характеристик двигателя за счет повышения эффективности газообменных процессов в цилиндрах.

Следует отметить, что одним лишь увеличением проходного сечения клапанных отверстий проблему эффективности газообмена не решить. Существенное значение имеет, например, величина подъема клапана над гнездом, сопротивление впускного и выпускного трактов, а также некоторые другие факторы. Но это уже другая тема для обсуждения.

многоклапанные двигатели типа DOHC

***

Общие сведения об автомобилях