Качество работы двигателя внутреннего сгорания автомобиля зависит от многих факторов, таких как мощность, коэффициент полезного действия, объем цилиндров.
Большое значение в моторе имеют фазы газораспределения, и от того, как происходит перекрытие клапанов, зависит экономичность ДВС, его приемистость, стабильность работы на холостых оборотах.
В стандартных простых двигателях изменение фаз ГРМ не предусматривается, и такие моторы не отличаются высокой эффективностью. Но в последнее время все чаще на автомашинах передовых компаний, таких как Хонда, Мерседес, Тойота, Ауди все чаще стали применяться силовые агрегаты с возможностью изменения смещения распределительных валов по мере изменения количества оборотов в ДВС.
Диаграмма фаз газораспределения двухтактного двигателя
Двухтактный двигатель отличается от четырехтактного тем, что рабочий цикл у него проходит за один оборот коленвала, в то же время на 4-тактных ДВС он происходит за два оборота. Фазы газораспределения в ДВС определяются продолжительностью открытия клапанов – выпускных и впускных, угол перекрытия клапанов обозначается в градусах положения к/в.
В 4-тактных моторах цикл наполнения рабочей смеси происходит за 10-20 градусов до того, как поршень придет в верхнюю мертвую точку, и заканчивается через 45-65º, а в некоторых ДВС и позднее (до ста градусов), после того как поршень пройдет нижнюю точку. Общая продолжительность впуска в 4-тактных моторах может длиться 240-300 градусов, что обеспечивает хорошую наполняемость цилиндров рабочей смесью.
В 2-тактных движках продолжительность впуска топливовоздушной смеси длится на повороте коленвала приблизительно 120-150º, также меньше длится и продувка, поэтому наполнение рабочей смесью и очистка выхлопных газов у двухтактных ДВС всегда хуже, чем у 4-тактных силовых агрегатов. На рисунке ниже показана диаграмма фаз газораспределения двухтактного мотоциклетного двигателя движка К-175.
Двухтактные движки применяются на автомобилях нечасто, так как они обладают более низким КПД, худшей экономичностью и плохой очисткой выхлопных газов от вредных примесей. Особенно актуален последний фактор – в связи с ужесточением норм экологии важно, чтобы в выхлопе двигателя содержалось минимальное количество CO.
Но все же у 2-хтактных ДВС есть и свои преимущества, особенно у дизельных моделей:
- силовые агрегаты компактнее и легче;
- они дешевле стоят;
- двухтактный мотор быстрее разгоняется.
На многих автомобилях в 70-х и 80-х годах прошлого столетия в основном устанавливались карбюраторные двигатели с «траблерной» системой зажигания, но многие передовые компании по производству автомашин уже тогда начали оснащать моторы электронной системой управления двигателем, в которой всеми основными процессами управлял единый блок (ЭБУ). Сейчас практически все современные авто имеют ЭСУД – электронная система применяется не только в бензиновых, но и в дизельных ДВС.
В современной электронике присутствуют различные датчики, контролирующие работу двигателя, посылающие сигналы блоку о состоянии силового агрегата. На основании всех данных от датчиков ЭБУ принимает решение – сколько необходимо подавать топлива в цилиндры на тех или иных нагрузках (оборотах), какой установить угол опережения зажигания.
Датчик фаз газораспределения имеет еще одно название – датчик положения распредвала (ДПРВ), он определяет положение ГРМ относительно коленвала. От его показаний зависит, в какой пропорции будет подаваться топливо в цилиндры в зависимости от количества оборотов и угла опережения зажигания. Если ДПРВ не работает, значит, фазами ГРМ не контролируются, и ЭБУ не «знает», в какой последовательности необходимо подавать топливо в цилиндры. В результате возрастает расход топлива, так как бензин (солярка) одновременно подается во все цилиндры, двигатель работает вразнобой, на некоторых моделях авто ДВС вовсе не запускается.
Регулятор фаз газораспределения
В начале 90-х годов 20-го века стали выпускаться первые двигатели с автоматическим изменением фаз ГРМ, но здесь уже не датчик контролировал положение коленвала, а непосредственно сдвигались сами фазы. Принцип работы такой системы следующий:
- распределительный вал соединяется с гидравлической муфтой;
- также с этой муфтой имеет соединение и распредшестерня;
- на холостых и малых оборотах распредшестерня с распредвалом зафиксированы в стандартном положении, как была установлены по меткам;
- при увеличении оборотов под воздействием гидравлики муфта поворачивает распредвал относительно звездочки (распредшестерни), и фазы ГРМ смещаются – кулачки распредвала раньше открывают клапана.
Одна из первых подобных разработок (VANOS) была применена на моторах M50 компании BMW, первые двигатели с регулятором фаз газораспределения появились в 1992 году. Следует отметить, что сначала VANOS устанавливался только на впускном распредвалу (у моторов M50 двухвальная система ГРМ), a c 1996-го стала использоваться система Double VANOS, с помощью которой уже регулировалось положение выпускного и впускного р/валов.
Какое преимущество дает регулятор фаз ГРМ? На холостом ходу перекрытие фаз газораспределения практически не требуется, и оно в данном случае даже вредит двигателю, так как при сдвиге распредвалов выхлопные газы могут попасть во впускной коллектор, а часть топлива будет попадать в выхлопную систему, полностью не сгорая. Но когда движок работает на максимальной мощности, фазы должны быть максимально широкими, и чем выше обороты, тем больше необходимо перекрытие клапанов. Муфта изменения фаз ГРМ дает возможность эффективно наполнять цилиндры рабочей смесью, а значит, повысить КПД мотора, увеличить его мощность. В тоже время на холостом ходу р/валы с муфтой находятся в исходном состоянии, и сгорание смеси идет в полном объеме. Получается, что регулятор фаз повышает динамику и мощность ДВС, при этом достаточно экономично расходуется топливо.
Система изменения фаз газораспределения (СИФГ) обеспечивает более низкий расход топлива, снижает уровень CO в выхлопных газах, позволяет более эффективно использовать мощность ДВС. У разных мировых автопроизводителей разработана своя СИФГ, применяется не только изменение положения распредвалов, но и уровень поднятия клапанов в ГБЦ. Например, компания Nissan применяет систему CVTCS, которой управляет клапан регулировки фаз газораспределения (электромагнитный клапан). На холостых оборотах этот клапан открыт, и не создает давление, поэтому распредвалы находятся в исходном состоянии. Открывающийся клапан увеличивает давление в системе, и чем оно выше, тем на больший угол сдвигаются распредвалы.
Следует отметить, что СИФГ в основном используются на двигателях с двумя распределительными валами, где в цилиндрах устанавливается по 4 клапана – по 2 впускных и 2 выпускных.
Приспособления для установки фаз газораспределения
Чтобы двигатель работал без перебоев, важно правильно выставить фазы ГРМ, установить в нужном положении распределительные валы относительно коленвала. На всех движках валы выставляются по меткам, и от точности установки зависит очень многое. Если валы выставляются неправильно, возникают различные проблемы:
- мотор неустойчиво работает на холостых оборотах;
- ДВС не развивает мощности;
- происходят выстрелы в глушитель и хлопки во впускном коллекторе.
Если в метках ошибиться на несколько зубьев, не исключено, что могут согнуться клапана, и движок при этом не запустится.
На некоторых моделях силовых агрегатов разработаны специальные приспособления для установки фаз газораспределения. В частности, для двигателей семейства ЗМЗ-406/ 406/ 409 есть специальный шаблон, с помощью которого измеряются углы положения распредвалов. Шаблоном можно проверить существующие углы, и если они выставлены неправильно, валы следует переустановить. Приспособление для 406-х моторов представляет собой набор, состоящий из трех элементов:
- двух угломеров (для правого и левого вала, они разные);
- транспортира.
Когда коленчатый вал выставлен в ВМТ 1-го цилиндра, кулачки распредвалов должны выступать над верхней плоскостью ГБЦ под углом 19-20º с погрешностью ± 2,4°, причем, кулачок впускного валика должен быть чуть выше кулачка выпускного распредвала.
Также есть специальные приспособления для установления распредвалов на моторах BMW моделей M56/ M54/ M52. В комплект установки фаз газораспределения ДВС БВМ входит:
Неисправности системы изменения фаз газораспределения
Изменять фазы газораспределения можно различными способами, и последнее время наиболее распространен поворот р/валов, хотя нередко применяется метод изменения величины подъема клапанов, использование распределительных валов с кулачками измененного профиля. Периодически в газораспределительном механизме возникают различные неисправности, из-за которых мотор начинает работать с перебоями, «тупит», в некоторых случаях и вовсе не запускается. Причины возникновения неполадок могут быть разными:
- неисправен электромагнитный клапан;
- засорилась грязью муфта изменения фаз;
- вытянулась цепь газораспределительного механизма;
- неисправен натяжитель цепи.
Часто при возникающих неисправностях в этой системе:
- снижаются холостые обороты, в некоторых случаях ДВС глохнет;
- значительно увеличивается расход топлива;
- двигатель не развивает обороты, машина порой не разгоняется даже до 100 км/ч;
- мотор плохо запускается, его приходится гонять стартером несколько раз;
- слышен стрекот, идущий из муфты СИФГ.
По всем признакам основная причина проблем с двигателем – выход из строя клапана СИФГ, обычно при этом компьютерная диагностика выявляет ошибку этого устройства. Следует отметить, что лампа диагностики Check Engine загорается при этом не всегда, поэтому трудно понять, что сбои происходят именно в электронике.
Часто проблемы ГРМ возникают из-за засорения гидравлики – плохое масло с частицами абразива забивает каналы в муфте, и механизм заклинивает в одном из положений. Если муфту «клинит» в исходном положении, ДВС спокойно работает на ХХ, но совсем не развивает оборотов. В случае, когда механизм остается в положении максимального перекрытия клапанов, движок может плохо запускаться.
К сожалению, на двигатели российского производства СИФГ не устанавливается, но многие автомобилисты занимаются тюнингом ДВС, стараясь улучшить характеристики силового агрегата. Классический вариант модернизации мотора – это установка «спортивного» распредвала, у которого смещены кулачки, изменен их профиль.
У такого р/вала есть свои преимущества:
- мотор становится приемистым, четко реагирует на нажатие педали газа;
- улучшаются динамические характеристики автомобиля, машина буквально рвет из-под себя.
Но в таком тюнинге есть и свои минусы:
- холостые обороты становится неустойчивыми, приходится их выставлять в пределах 1100-1200 об/мин;
- увеличивается расход топлива;
- достаточно сложно отрегулировать клапана, ДВС требует тщательной настройки.
Достаточно часто тюнингу подвергаются вазовские двигатели моделей 21213, 21214, 2106. Проблема движков ВАЗ с цепным приводом – появление «дизельного» шума, и часто он возникает из-за вышедшего из строя натяжителя. Модернизация ДВС ВАЗ заключается в установке автоматического натяжителя вместо штатного заводского.
Нередко на модели двигателей ВАЗ-2101-07 и 21213-21214 устанавливают однорядную цепь: мотор с ней работает тише, к тому же цепочка меньше изнашивается – ее ресурс составляет в среднем 150 тыс. км.
Простейший двухтактный двигатель
Двухтактный двигатель наиболее прост с технической точки зрения: в нем поршень выполняет работу распределительного органа. На поверхности цилиндра двигателя выполнено несколько отверстий. Их называет окнами, и они принципиальны для двухтактного цикла. Предназначение впускных и выпускных каналов достаточно очевидно — впускное окно позволяет топливовоздушной смеси попасть в двигатель для последующего сгорания, а выпускное окно обеспечивает отвод полученных в результате сгорания газов из двигателя. Продувочный канал служит для обеспечения перетекания из кривошипной камеры, в которую она поступила ранее, в камеру сгорания, где происходит сгорание. Здесь возникает вопрос, почему смесь поступает в пространство картера под поршнем, а не непосредственно в камеру сгорания над поршнем. Чтобы понять это, следует отметить, что в двухтактном двигателе кривошипная камера выполняет важную второстепенную роль, являясь своего рода насосом для смеси.
Она образует собой герметичную камеру, закрытую сверху поршнем, из чего следует, что объем этой камеры, а, следовательно, и давление внутри нее, изменяется, поскольку поршень перемешается возвратно-поступательно в цилиндре (по мере того как поршень двигается вверх, объем увеличивается, и давление падает ниже атмосферного, создается разрежение; наоборот, при движении поршня вниз объем уменьшается, и давление становится выше атмосферного).
Впускное окно на стенке цилиндра большую часть времени закрыто юбкой поршня, оно открывается, когда поршень приближается к верхней точке своего хода. Созданное разрежение всасывает свежий заряд смеси в кривошипную камеру, затем, по мере того как поршень движется вниз и создает давление в кривошипной камере, эта смесь вытесняется в камеру сгорания через продувочный канал.
Данная конструкция, в которой поршень играет роль распределительного органа по очевидным причинам, является самой простой разно¬видностью двухтактного двигателя, число перемеoающихся частей в ней не значительно. Во многих отношениях это является значительным преимуществом, однако оставляет желать лучшего с точки зрения эффективности (КПД). В свое время почти во всех двухтактных двигателях поршень выполнял роль органа распределения, но в современных конструкциях эта функция отводится более сложным и эффективным устройствам
Улучшенные конструкции двухтактного двигателя
Влияние на течение газа Одна из причин неэффективности выше-описанного двухтактного двигателя-неполная очистка от отработавших газов. Оставаясь в цилиндре, они мешают проникновению всего объема свежей смеси, и, следовательно, снижают мощность. Также существует связанная с этим проблема: свежая смесь из окна продувочного канала поступает прямо в выпускной канал, и, как было упомянуто ранее, чтобы это минимизировать, окно продувочного канала направляет смесь вверх.
Поршни с дефлектором
Эффективность очистки и топливная экономичность могут быть улучшены за счет создания более эффективного течения газа внутри цилиндра. На ранней стадии усовершенствование двухтактных двигателей было достигнуто за счет придания днищу поршня особой формы для отклонения смеси от впускного канала к головке цилиндра — данная конструкция получила название поршня с дефлектором». Однако использование поршней с дефлектором на двухтактных двигателях было непродолжительным в связи с проблемами расширения поршня. Тепловыделение в камере сгорания двухтактного двигателя обычно выше, чем у четырехтактного, потому что сгорание происходит вдвое чаше, кроме того, головка, верхняя часть цилиндра и поршня являются наиболее нагретыми частями двигателя. Это приводит к проблемам, связанным с тепловым расширением поршня. Фактически, поршню при изготовлении придается такая форма, чтобы он слегка отличался от окружности и был конусным кверху (овало-бочкообразный профиль), таким образом, когда он расширяется при изменении температуры, он становится круглыми и цилиндрическим. Добавление несимметричного металлического выступа в виде дефлектора на днище поршня, изменяет характеристики его рас¬ширения (если поршень будет чрезмерно расширяться в неправильном направлении, его может заклинить в цилиндре), а также приводит к его утяжелению со смещением массы от оси симметрии. Этот недостаток стал намного более очевидным по мере того, как двигатели усовершенствовались для работы при более высоких скоростях вращения.
Типы продувок двухтактного двигателя
Петлевая продувка
Поскольку у поршня с дефлектором слишком много недостатков, а плоское или слегка скругленное днище поршня не сильно влияет не движение поступающей смеси или вытекающих отработавших газов, был необходим другой вариант. Он был разработан в ЗО-х годах XX века доктором Е. Шнурле, который его изобрел и запатентовал (хотя, по общему признанию, он первоначально спроектировал его для двухтактного дизельного двигателя). Продувочные окна расположены напротив друг друга на стенке цилиндра и направлены под углом вверх и назад. Таким образом, поступающая смесь наталкивается на заднюю стенку цилиндра и отклоняется вверх, затем, образуя наверху петлю, падает на отработавшие газы и способствует их вытеснению через выпускное окно. Следовательно, хорошая продувка цилиндра может быть получена подбором расположения продувочных окон. Необходимо тщательно прорабатывать форму и размер каналов. Если сделать канал слишком широким,поршневое кольцо, минуя его,может попасть в окно и заклинить, тем самым вызывая поломку. Поэтому размер и форма окон выполняется так, чтобы гарантировать безударный проход колеи мимо окон, а некоторые широкие окна соединены в середине перемычкой, служащей опорой для колец. В качестве еще одного варианта можно предложить использование большего числа окон меньших размеров.
На данный момент существует множество вариантов расположения, численности и размеров окон, сыгравших большую роль в увеличении мощности двухтактных двигателей. Некоторые двигатели снабжены продувочным и окнами, служащими для единственной цели — улучшения продувки, они открываются незадолго до открытия главных продувочных окон, которые подают большую часть свежей смеси. Но пока это всё. что можно сделать для улучшения газообмена без использования дорогих в производстве деталей. Чтобы продолжать улучшать характеристики, необходимо более точно управлять фазой наполнения.
Лепестковый клапан Suzuki Lets TW
Лепестковые клапана
В любой конструкции двухтактного двигателя улучшение КПД и топливной экономичности означает, что двигатель должен работать более эффективно, это требует сгорания максимального количества топлива (следовательно, получения максимальной мощности) на каждом рабочем такте двигателя. Остается проблема сложного удаления всего объема отработавшего газа и заполнения цилиндра максимальным объемом свежей смеси. До тех пор, пока процессы газообмена совершенствуются в рамках двигателя с поршнем в роли органа распределения, нельзя гарантировать полную очистку от отработавших газов, остающихся в цилиндре, при этом нельзя увеличить объем поступающей свежей смеси, чтобы способствовать вытеснению отработавших газов. Решением может служить заполнение кривошипной камеры большим количеством смеси за счет увеличения ее объема, но на практике это приводит к менее эффективной продувке. Увеличение эффективности продувки требует уменьшения объема кривошипной камеры и, таким образом, ограничения пространства, предназнеченного для заполнения смесью. Так что компромисс уже найден, и следует искать другие способы улучшения характеристик. В двухтактном двигателе, в котором роль органа газораспределения отведена поршню, часть топливовоздушной смеси, поданной в кривошипную камеру, неизбежно будет потеряна по мере того, как поршень начинает двигаться вниз в процессе сгорания. Эта смесь вытесняется обратно во впускное окно и, таким образом, теряется. Необходим более эффективный способ управления поступающей смесью. Предотвратить потери смеси можно путем использования лепесткового или дискового (золотникового) клапана или их комбинации.
Лепестковый клапан состоит из металлического корпуса клапанов и закрепленного на его поверхности седла с уплотнением из синтетического каучука. Два или более лепестковых клапана закреплены на корпусе клапанов, при нормальных атмосферных условиях эти лепестки закрыты. Кроме того, для ограничения перемещения лепестка установлены ограничительные пластины по одной на каждый лепесток клапана, служащие для предотвращения его поломки. Тонкие лепестки клапана обычно изготавливаются из гибкой (пружинной) стали, хотя все более популярными становятся экзотические материалы на основе фенольной смолы или стеклотекстолита.
Клапан открывается за счет изгиба лепестков до ограничительных пластин, которые спроектированы таким образом, что открываются, как только появляется положительный перепад давления между атмосферой и кривошипной камерой; это происходит, когда движущийся вверх поршень создает разрежение в картере, Когда смесь подана в кривошипную камеру, и поршень начинает двигаться вниз, давление внутри картера возрастает до уровня атмосферного, и лепестки прижимаются, закрывая клапан. Таким образом, подается максимальное количество смеси, и предотвращаются любые обратные выбросы. Дополнительная масса смеси более полно заполняет цилиндр, и продувка происходит более эффективно. Сначала лепестковые клапана были приспособлены для использования на существующих двигателях с поршнем в роли органа газораспределения, это привело к существенному улучшению эффективности двигателей. В отдельных случаях производители выбирали комбинацию двух конструкций: одной — когда двигатель с поршнем в роли органа газораспределения. дополненный лепестковым клапаном для продолжения процесса наполнения через дополнительные каналы в кривошипной камере после того, как поршень перекроет основной канал, если уровень давления в картере двигателя позволяет это. В другой конструкции на поверхности юбки поршня выполнялись окна, чтобы окончательно избавиться от контроля, который поршень имеет над каналами; в таком случае они открываются и закрываются исключительно под воздействием лепесткового клапана. Развитие этой идеи означало, что клапан и впускной канал могут быть перенесены из цилиндра в кривошипную камеру. Устрашающие предостережения, что на лепестках клапана образуются трещины и лепестки могут попасть внутрь двигателя, оказались в значительной степени необоснованными. Перемещение впускного канала предоставляет ряд преимуществ, главное из которых связано с тем. что течение газа в полость картера становится более свободным.и,следовательно, большее количество смеси может поступить в кривошипную камеру. Этому до некоторой степени способствует импульс (скорость и вес) поступающей смеси. При переносе впускного канала из цилиндра можно продолжать повышать эффективность путем смешения продувочного окна (окон) в оптимальное для продувки положение. Безусловно, за последние годы основное расположение лепестковых клапанов было подвергнуто тщательному исследованию, и появились сложные конструкции. содержащие двухступенчатые лепестки и многолепестковые корпуса клапанов. Последние разработки в области лепестковых клапанов связаны с материалами, используемыми для лепестков, и с расположением и размером лепестков.
Дисковые клапана (золотниковое распределение)
Дисковый клапан состоит из тонкого стального диска, закрепленного на коленчатому валу шпонкой
Или шлицами таким образом, что они вращаются вместе, Он располагается снаружи впускного окна между карбюратором и крыш¬кой картера так. чтобы в нормальном состоянии канал перекрывался диском, Чтобы произошло наполнение в нужной области цикла двигателя, из диска вырезается сектор. При вращении коленчатого вала и дискового клапана впускное окно открывается в момент, когда вырезанный сектор проходит мимо канала, позволяя смеси проникнуть непосредственно в кривошипную камеру. Затем канал перекрывается диском, предотвращая обратный выброс смеси в карбюратор по мере того, как поршень начинает двигаться вниз.
К очевидным преимуществам использования дискового клапана можно причислить более точное управление началом и концом процесса участок, или сектор, диска минует канал), и продолжительностью процесса наполнения (то есть величиной вырезанного участка диска, пропорциональной времени открытия канала). Также дисковый клапан допускает применение впускного канала большого диаметра и гарантирует беспрепятственный проход смеси, попадающей в кривошипную камеру. В отличие от лепесткового клапана с достаточно большим корпусом клапанов, дисковый клапан не создает никаких преград во впускном канале, и поэтому газообмен в двигателе улучшается. Другое преимущество дискового клапана проявляется на спортивных мотоциклах — это время, за которое его можно заменить для подбора рабочих характеристик двигателя под различные трассы. Главным недостатком дискового клапана являются технические трудности, требующие маленьких производственных допусков и отсутствие приспособляемости, то есть неспособность клапана реагировать на изменение потребностей двигателя подобно лепестковому клапану. Кроме того, все дисковые клапана уязвимы в отношении попадания мусора, поступающего в двигатель с воздухом (мелкие частицы и пыль оседают на уплотняющих канавках и царапают диск). Несмотря на это. на практике дисковые клапана работают очень хорошо и обычно способствуют значительному приросту мощности на низких частотах вращения двигателя по сравнению с обычным двигателем с поршнем в роли органа газораспределения.
Совместное использование лепестковых и дисковых клапанов
Неспособность дискового клапана реагировать на изменение потребностей двигателя навела некоторых производителей на мысль — использовать комбинацию дискового и лепесткового клапана для получения высокой эластичности двигателя. Поэтому.когда этого требуют условия, давление в картере двигателя закрывает лепестковый клапан, таким образом, закрывая впускной канал со стороны кривошипной камеры, даже несмотря на то, что вырезанный участок (сектор) диска все еще может открывать впускной канал со стороны карбюратора.
Использование щеки коленвала в качестве дискового клапана
Интересный вариант дискового клапана использовался в течение нескольких лет на ряде двигателей мотороллеровVespa . Вместо применения отдельного клапанного устройства для выполнения его роли производители использовали стандартный коленчатый вал. Плоскость правой щеки маховика обработана с очень высокой точностью так, что при вращении коленвала зазор между ней и картером составляет несколько тысячных долей дюйма. Впускной канал находится прямо над маховиком (на этих двигателях цилиндр располагается горизонтально) и, таким образом,прикрывается краем маховика, Путем механической обработки выемки в части маховика можно в заданной точке цикла двигателя открыть канал аналогично тому, как это происходит при использовании традиционного дискового клапана. Хотя получаемый впускной канал оказывается менее прямым, чем мог бы быть, на практике эта система работает очень хорошо. В результате двигатель вырабатывает полезную мощность в широком диапазоне частот вращения двигателя, и по прежнему остается технически простым.
Расположение выпускного окна
во многих отношениях системы впуска и выпуска на двухтактном двигателе очень тесно связаны. В предшествующих параграфах мы обсудили способы подвода смеси и отвода отработавших газов из цилиндра. За эти годы проектировщики и испытатели обнаружили, что фазы выпуска могут иметь столь же существенное влияние на характеристики двигателя, как и фазы впуска. Фазы выпуска определяются высотой выпускного окна в стенке цилиндра, то есть когда оно закрывается и открывается поршнем по мере того, как он перемешается в цилиндре вверх и вниз. Конечно, как и во всех других случаях, нет одного единственного положения, которое охватывало бы все режимы двигателя. Во- первых, это зависит оттого, для чего двигатель должен использоваться, во-вторых, как этот двигатель используется. Например, для одного и того же двигателя оптимальная высота выпускного окна различна при низких и при высоких частотах вращения двигателя, а при углубленном рассмотрении можно сказать, что то же относится и к размерам канала, и непосредственно к размерам выпускной трубы. В результате на производстве разработаны различные системы с изменяющимися при работе двигателя характеристиками выпускных систем для соответствия изменяющимся частотам врашения. Такие системы появились у (YPVS), (АТАС). (KIPS), (SAPC), Cagiva (CTS) и Aprilia (RAVE). Ниже описываются системы , и .
Системе с мощностным клепаном Yamaha — YPVS
В основе этой системы лежит непосредственно мощностной клапан, который по существу является роторным клапаном, установленным в гильзе цилиндра так, чтобы его нижняя кромка соответствовала верхней кромке выпускного окна. На низких частотах вращения двигателя клапан находится в закрытом положении, ограничивая эффективную высоту окна: это улучшает характеристики на низких и средних режимах Когда частота вращения двигателя достигает заданного уровня, клапан открывается, увеличивая эффективную высоту окна, что способствует улучшению характеристик на высоких скоростях. Положение мощностного клапана контролирует серводвигатель при помощи троса и шкива. Блок управления YPVSi-получает данные об угле открытия клапана от потенциометра на серводвигателе и данные о частоте вращения двигателя от блока управления зажиганием; эти данные используются для выработки правильного сигнала к механизму привода серводвигателя (см. рис. 1.86). Замечание: На внедорожных мотоциклах компании используется несколько отличная версия системы из-за малой мощности аккумулятора: мощностной клапан приводится в действие от центробежного механизма, установленного на коленчатом валу.
Комплексная система мощностных клапанов Kawasaki — KIPS
Система имеет механический привод от установленного на коленчатом валу центробежного (шарикового) регулятора, Вертикальная тяга соединяет механизм привода с тягой управления мощностным клапаном, установленным в гильзе цилиндра. Два таких мощностных клапана расположены во вспомогательных каналах с обеих сторон от главного впускного окна и связаны с тягой привода посредством шестерни и зубчатой рейки. По мере того, как тяга привода перемещается «из стороны в сторону», клапана вращаются, открывая и закрывая вспомогательные каналы в цилиндре и камере резонатора, расположенной с левой стороны двигателя. Система рассчитана так, чтобы при низкой частоте вращения вспомогательные каналы были закрыты клапанами для обеспечения кратковременного открытия канала. Левый клапан открывает камеру резонатора покидающим отработавшим газам, таким образом увеличивая объем расширительной камеры. При высокой частоте вращения клапана поворачиваются, чтобы открыть оба вспомогательных канала и увеличить продолжительность открытия канала, следовательно, обеспечить большую пиковую мощность. Камера резонатора закрывается клапаном с левой стороны, снижая общий объем выпускной системы. Система KIPS обеспечивает улучшение характеристик на низких и средних частотах вращения за счет уменьшения высоты канала и большего объема выпускной системы а при высоких частотах вращения — за счет увеличения высоты выпускного окна и меньшего объема системы выпуска. В дальнейшем система была усовершенствована за счет введения промежуточной шестерни между тягой привода и одним из клапанов, обеспечивающей вращение клапанов во встречных направлениях, а также добавления плоского мощностного клапана на передней кромке выпускного окна. На моделях большего объема запуск и работа на низких частотах вращения была улучшены за счет добавления соплового профиля в верхней части клапанов.
Камера усиления крутящего момента с автоматическим управлением Honda — АТАС
Система, применяемая на моделях фирмы , имеет привод от автоматического центробежного регуляторе, установленного на коленчатом валу. Механизм, состоящий из рейки и валика, передает усилие от регулятора к клапану АТАС, установленному в гильзе цилиндра. Камера HERP (Резонансная Энергетическая Труба ) открывается клапаном АТАС при низких частотах вращения двигателя и закрывается при высоких.
Система впрыска топлива
Судя по всему, очевидным методом решения всех проблем, связанных с наполнением камеры сгорания двухтактного двигателя топливом и воздухом, не говоря уже о проблемах высокого расхода горючего и вредных выбросов, является использование системы впрыска топлива. Однако, если топливо не подводится непосредственно в камеру сгорания, все еще остаются характерные проблемы с фазой наполнения и эффективностью двигателя. Проблема, связанная с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания, заключается в том. что топливо может быть подано только после того, как впускные окна будут закрыты, следовательно, остается мало времени для распыливания и полного перемешивания топлива с воздухом, находящимся в цилиндре (который поступает из кривошипной камеры, как в традиционных двухтактных двигателях). Это порождает другую проблему, так как давление внутри камеры сгорания после закрытия выпускного окна велико, и она быстро нарастает, следовательно, топливо должно подаваться при еще более высоком давлении, иначе оно просто не будет истекать из форсунки. Это требует довольно крупногабаритного топливного насоса, что влечет за собой проблемы связанные с увеличением веса, габаритов и стоимости.Aprilia решила эти проблемы, применив систему, называемуюDITECH, основанную на конструкции австралийской компании,PeugeotиKymmcoразработали подобную систему. Форсунка в начале цикла двигателя подает струю топлива в отдельную закрытую вспомогательную камеру, содержащую сжатый воздух (подаваемый либо от отдельного компрессора, либо по каналу с обратным клапаном от цилиндра]. После того, как выпускное окно закрывается, вспомогательная камера сообщается с камерой сгорания через клапан или сопло, и смесь подается непосредственно к свече зажигания. Aprilia претендует на снижение вредных выбросов на 80 %, достигаемое за счет снижения не 60 % расхода масла и на 50 % расхода горючего, кроме того, скорость скутера с такой системой на 15 % выше скорости такого же скутера со стандартным карбюратором.
Главное преимущество применения непосредственного впрыска в том. что по сравнению с обыкновенным двухтактным двигателем исчезает необходимость предварительного перемешивания топлива с маслом для смазки двигателя. Смазка улучшается, поскольку масло не смывается топливом с подшипников и, следовательно, требуется меньшее количество масла, в результате чего снижается токсичность. Сгорание топлива также улучшается, а нагарообразование на поршнях, поршневых кольцах и в выпускной системе снижается. Воздух по-прежнему подается через кривошипную камеру (его расход определяется дроссельной заслонкой, связанной с ручкой газа мотоцикла) Это означает, что масло все еще сгорает в цилиндре, и смазка и смазка не столь эффективна, как хотелось бы. Однако результаты независимых испытаний говорят сами за себя. Все, что теперь необходимо-обеспечить подвод воздуха, минуя кривошипную камеру.
Статью прочитали: 880
Отрезки времени от начала момента открытия клапанов двигателя до их полного закрытия относительно мертвых точек движения поршня получили наименование фазы газораспределения. Их влияние на работу двигателя очень велико. Так, от продолжительности фаз зависит эффективность заполнения и очистки цилиндров в процессе работы мотора. Это напрямую определяет экономичность расхода топлива, мощность и крутящий момент.
Сущность и роль фаз газораспределения
На данный момент существуют двигатели, в которых фазы не могут изменяться принудительно, и двигатели, оснащенные механизмами (например, CVVT). Для первого типа двигателей фазы подбираются эксперементально при конструировании и расчете силового агрегата.
Нерегулируемые и регулируемые фазы газораспределения
Визуально все они отображаются на специальных диаграммах фаз газораспределения. Верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ соответственно) представляют собой крайние позиции поршня, движущегося в цилиндре, которые соответствуют наибольшему и наименьшему расстоянию между произвольной точкой поршня и осью вращения коленвала мотора. Точки начала открытия и закрытия клапанов (длина фазы) показываются в градусах и рассматриваются относительно вращения коленчатого вала.
Управление фазами осуществляется при помощи (ГРМ), который состоит из следующих элементов:
- кулачковый распредвал (один или два);
- цепной или ременной привод от коленвала к распредвалу.
Газораспределительный механизм Всегда состоит из тактов, каждому из которых соответствует определенное положение клапанов на впуске и выпуске. Таким образом, начало и конец фазы зависят от угла положения коленвала, который связан с распределительным валом, управляющим положением клапанов.
За один оборот распредвала коленчатый вал выполняет два оборота и его суммарный угол поворота за рабочий цикл равен 720°.
Круговая диаграмма фаз газораспределения Работу фаз газораспределения для четырехтактного двигателя рассмотрим на следующем примере (см. картинку):
- Впуск . На этом этапе поршень движется от ВМТ к НМТ, а коленвал поворачивается на 180º. Осуществляется закрытие выпускного клапана и последующее открытие впускного. Последние происходит с опережением на 12º.
- Сжатие . Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, а коленвал совершает еще один поворот на 180º (360º от начального положения). Выпускной клапан остается в закрытом положении, а впускной остается открытым, пока коленвал не повернется на 40º.
- Рабочий ход . Поршень идет от ВМТ к НМТ под действием силы воспламенения топливовоздушной смеси. Впускной клапан находится в закрытом положении, а выпускной открывается с опережением, когда коленвал еще не дошел 42º до НМТ. На этом такте полный поворот коленвала составляет также 180º (540º от начального положения).
- Выпуск . Поршень идет от НМТ к ВМТ и при этом выталкивает отработавшие газы. В этот момент впускной клапан закрыт (откроется за 12º до ВМТ), а выпускной остается в открытом положении и после достижения коленвалом ВМТ еще на 10º. Общая величина поворота коленвала на этом такте также 180º (720º от начальной точки).
Фазы грм также зависят от профиля и позиции кулачков распредвала. Так, если они одинаковы на впуске и выпуске, то длительность открытия клапанов также будет одинакова.
Почему выполняется запаздывание и опережение срабатывания клапанов?
Чтобы улучшить наполнение цилиндров, а также обеспечить более интенсивную очистку от отработавших газов, срабатывание клапанов происходит не в момент достижения поршня мертвых точек, а с небольшим опережением или запаздыванием. Так, открытие впускного клапана выполняется до момента прохождения поршнем ВМТ (от 5° до 30°). Это позволяет обеспечить более интенсивное нагнетание свежего заряда в камеру сгорания. В свою очередь, закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием (после того как поршень достиг нижней мертвой точки), что позволяет продолжить наполнение цилиндра горючим за счет сил инерции, так называемый инерционный наддув.
Выпускной клапан также открывается с опережением (от 40° до 80°) до момента достижения поршнем НМТ, что позволяет обеспечить выход большей части отработавших газов под действием собственного давления. Закрытие выпускного клапана, напротив, происходит с запаздыванием (после прохождения поршнем верхней мертвой точки), что позволяет силам инерции продолжить удаление отработавших газов из полости цилиндра и делает более эффективной его очистку.
Углы опережения и запаздывания не являются общими для всех двигателей. Более мощные и быстроходные имеют большие значения этих интервалов. Таким образом, их фазы газораспределения будут шире.
Этап работы двигателя, при котором оба клапана открыты одновременно, получил название перекрытие клапанов. Как правило, величина перекрытия составляет около 10°. При этом, поскольку длительность перекрытия очень мала, а раскрытие клапанов незначительно, утечки не происходит. Это довольно благоприятный этап для наполнения и очистки цилиндров, что особенно важно при высоких оборотах.
В начале открытия впускного клапана текущий уровень давления в камере сгорания выше, чем атмосферное. В результате отработавшие газы очень быстро перемещаются к выпускному клапану. Когда двигатель перейдет на такт впуска, в камере установится высокое разрежение, выпускной клапан полностью закроется, а впускной раскроется на достаточную для интенсивного наполнения цилиндра величину сечения.
Особенности регулируемых фаз газораспределения
При высоких скоростях двигателю автомобиля необходимо больше объема воздуха. И поскольку в нерегулируемых ГРМ клапаны могут закрыться до того, как в камеру сгорания поступает его достаточное количество, работа мотора оказывается неэффективной. Для решения этой проблемы были разработаны различные способы регулировки фаз газораспределения.
Клапан регулировки фаз газораспределения Первые моторы, имеющие подобную функцию, позволяли выполнять ступенчатую регулировку, которая позволяла менять длину фазы в зависимости от достижения двигателем определенных величин. Со временем появились бесступенчатые конструкции, позволяющие выполнить более плавную и оптимальную настройку.
Простейшим решением является система сдвига фаз (CVVT), реализуемая путем поворота распределительного вала относительно коленвала на определенный угол. Это позволяет изменить момент открытия и закрытия клапанов, но фактическая продолжительность фазы остается неизменной.
Чтобы изменить непосредственно длительность фазы, в ряде автомобилей используются несколько кулачковых механизмов, а также колеблющиеся кулачки. Для точной работы регуляторов применяются комплексы из датчиков, контроллера и исполнительных механизмов. Управление такими устройствами может быть электрическим или гидравлическим.
Одной из основных причин внедрения систем с регулировкой ГРМ является ужесточение экологических стандартов по уровню токсичности отработавших газов. Это означает, что для большинства производителей вопрос оптимизации фаз газораспределения остается одним из важнейших.
Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно н.м.т. на угол φ о.в. = 30ч-75° (рис. 20) и закрывается после в.м.т. с запаздыванием на угол φ з.в., когда поршень движется в такте наполнения в направлении к н.м.т. Начало открытия и закрытие впускного клапана также сдвинуты относительно мертвых точек: открытие начинается до в.м.т. с опережением на угол φ 0 . вп, а закрытие происходит после н.м.т. с запаздыванием на угол φ з.вп. в начале такта сжатия. Большая часть процессов выпуска и наполнения протекает раздельно, но около в.м.т. впускной и выпускной клапаны открыты некоторое время одновременно. Продолжительность перекрытия клапанов, равная сумме углов φ з.в + φ о.вп, невелика у поршневых двигателей (рис. 20, а), а у комбинированных может быть значительной (рис. 20, б). Общая продолжительность газообмена составляет φ о.в + 360 о + φ з.вп =400-520 о; у высокооборотных двигателей она больше.
Периоды газообмена в двухтактных двигателях
В двухтактном двигателе процессы газообмена происходят при перемещении поршня вблизи н.м.т. и занимают часть хода поршня в тактах расширения и сжатия.
В двигателях с петлевой схемой газообмена и впускные, и выяускные окна открываются поршнем, поэтому фазы газораспределения и диаграммы площади поперечного сечения окон симметричны относительно н.м.т. (рис. 24, а). Во всех двигателях с прямоточными схемами газообмена (рис. 24, б) фазы открытия выпускных окон (или клапанов) выполняют несимметричными относительно н.м.т., достигая тем самым лучшего наполнения цилиндра. Обычно впускные окна и выпускные окна (или клапаны) закрываются одновременно или с небольшой разницей по углу. Осуществить несимметричные фазы возможно и в двигателе с петлевой схемой газообмена,
если установить (на впуске или выпуске) дополнительные устройства - золотники или клапаны. Из-за недостаточной надежности подобных устройств в настоящее время их не применяют.
Общая продолжительность процессов газообмена в двухтактных двигателях соответствует 120-150° угла поворота коленчатого вала, что в 3-3,5 раза меньше, чем в четырехтактных. Угол открытия выпускных окон (или клапанов) φ о.в. = 50-90° до н.м.т., а угол предварения их открытия φ пр = 10-15 0 . В высокооборотных двигателях с выпуском через клапаны эти углы больше, а в двигателях с выпуском через окна - меньше.
В двухтактных двигателях процессы выпуска и наполнения происходят в большей части совместно - при одновременно открытых впускных (продувочных) и выпускных окнах (или выпускных клапанах). Поэтому воздух (или горючая смесь) поступает в цилиндр, как правило, при условии, что давление перед впускными окнами больше давления за выпускными окнами (клапанами) .
Литература:
Наливайко В.С., Ступаченко А.Н. Сыпко С.А. Методические указания к проведению лабораторных работ по курсу «Судовые ДВС», Николаев, НКИ, 1987, 41с.
Судовые двигатели внутреннего сгорания. Учебник/ Ю.Я. Фомин, А.И. Горбань, В.В. Добровольский, А.И. Лукин и др.-Л.:Судостроение, 1989 – 344 с.:ил.
Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей: Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова –М.: Машиностроение,1983ю – 372стр.
Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1977.-392с.
Типы продувки горючей смеси двигателя внутреннего сгорания.
Существует два основных типа продувки: дефлекторная (поперечная) и бездефлекторная (возвратная или петлевая).
Дефлектором называется специальный выступ - козырек - на днище поршня, который служит для того, чтобы обеспечить правильное направление потока горючей смеси, поступающей в цилиндр через продувочное окно. На рис. 44 показана схема дефлекторной продувки.
Сжатая в картере смесь через продувочные канал и окно поступает в цилиндр, встречая на своем пути дефлектор. Поток смеси отклоняется вверх, в камеру сгорания, а оттуда идет вниз, к выхлопному окну, вытесняя через него из цилиндра отработавшие газы. При такой системе продувки выхлопное окно располагается против продувочного, что до некоторой степени способствует увеличению потерь рабочей смеси через выхлопное окно во время продувки цилиндра. Двигатели с дефлекторной продувкой имеют повышенный расход топлива. Наличие на днище поршня дефлектора увеличивает его вес и ухудшает форму камеры сгорания. Тем не менее, по ряду конструктивных соображений дефлекторная продувка широко применяется для подвесных моторов: так, например, устроен мотор "Москва" мощностью 10 л. с.
Несколько большая экономичность достигается применением бездефлекторной продувки. Схема возвратной, двухканальной продувки показана на рис. 45.
В этом случае поршень делается с плоским или слегка выпуклым днищем. Продувочные потоки сталкиваются и поднимаются вверх вдоль стенки цилиндра, вытесняя в выпускное окно отработавшие газы. По числу продувочных каналов и характеру движения смеси этот тип продувки называется двухканальной, петлевой.
Возвратная петлевая продувка может быть трех- и четырех-канальной; в последнем случае продувочные каналы располагаются рядом, попарно или крестообразно.
Рис. 45. Схема возвратной (петлевой) бездефлекторной продувки
Возвратная, двухканальная продувка распространена больше. Такую продувку имеют подвесные лодочные моторы ЗИФ-5М и "Стрела".
Применение бездефлекторной продувки позволяет получить высокие степени сжатия при наивыгоднейшей форме камеры сгорания, что дает возможность снять с двигателя большую литровую мощность. Гоночные двухтактные моторы с кривошипно-камерной продувкой, как правило, имеют двух- или трехканальную возвратную петлевую продувку.
Протекание процесса продувки и заполнения картера двухтактного двигателя свежей рабочей смесью зависит в большой степени от размеров окон и продолжительности их открытия поршнем. Начало открытия и закрытия впускного, продувочного и выпускного окон цилиндра, а также продолжительность впуска, продувки и выпуска, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, можно видеть на диаграмме газораспределения двигателя (рис. 46).
Период, соответствующий углу поворота коленчатого вала, когда через открытое впускное окно происходит заполнение картера свежей рабочей смесью, называется фазой впуска. Периоды, соответствующие углам поворота коленчатого вала при открытии продувочного и выхлопного окон, называются фазами продувки и выпуска.
На рис. 46 приведена диаграмма газораспределения двигателя "Стрела". У этого двигателя фазы газораспределения, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, составляют: фаза впуска в картер - 120°, продувка- 110° и выпуск - 140°.
Из диаграммы видно, что относительно оси, проходящей через мертвые точки, правая и левая части диаграммы симметричны. Это значит, что если впускное окно начинает открываться поршнем за 60° до ВМТ, то закроется оно через 60° после ВМТ. Открытие и закрытие вхлопного и продувочного окон происходит аналогичным образом. Продолжительность фазы выпуска обычно на 30-35° больше продолжительности фазы продувки. Описанный двигатель носит название трехоконного.
Симметричные фазы газораспределения двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой отрицательно сказываются на его литровой мощности и экономичности.
Рис. 46. Диаграмма газораспределения двигателей подвесных лодочных моторов ЗИФ-5М и "Стрела"
Малая продолжительность фазы впуска снижает наполнение картера и, следовательно, мощность двигателя. Увеличение высоты впускного окна имеет свой предел: оно повышает количество смеси, засасываемой в картер во время восходящего хода поршня, но зато приводит к потерям его за счет выбрасывания смеси обратно в карбюратор через открытое окно при движении, поршня вниз. Продолжительность фазы впуска зависит от числа оборотов двигателя. Если двигатель делает не более 3000-4000 об/мин, фаза впуска не превышает обычно 110- 120° угла поворота кривошипа. У гоночных двигателей, развивающих 6000 об/мин и более, она доходит до 130-140°, но при работе на малых оборотах у такого двигателя наблюдается выбрасывание смеси обратно в карбюратор.
Фаза выпуска у высокооборотных двигателей также увеличена и составляет 150-160°. При этом выхлопное окно по высоте больше продувочного на 7-"8 мм. Необходимость расширения фаз для гоночных многооборотных двигателей объясняется тем, то на больших оборотах время (продолжительность) открытия окон уменьшается, вследствие чего наполнение цилиндров рабочей смесью и мощность двигателя падают.
Рис. 47. Схема двухтактных двигателей с золотниковым газораспределением:а- с дисковым золотником на коленчатому; б- с приводным цилиндрическим золотником,(краном)
Повысить наполнение картера двухтактного двигателя можно путем применения системы впуска через вращающийся золотник или пластинчатые клапаны.
В первом случае на шейке коленчатого вала, внутри картера, устанавливается диск с отверстием для пропуска всасываемой в картер рабочей смеси. Второе отверстие имеется в верхней стенке картера, к которой золотник прижимается пружиной. Во время вращения коленчатого вала золотник вращаетсявместе с ним; при совпадении отверстия в золотнике с впускным окном в стенке картера смесь заполняет внутренний объем картера. Схемы двигателя со всасыванием через вращающийся золотник показаны на рис. 47.
Преимуществом такого устройства является возможность полностью использовать восходящий ход поршня и довести величину фазы впуска до 180-200° угла поворота коленчатого вала. Впуск смеси в картер начинается, как только верхняя кромка поршня закроет продувочное окно. Заканчивается впуск через 40-50°, пройдя ВМТ (рис. 48).
Диаграмма фазы впуска такого двигателя несимметрична.
Рис. 48. Диаграмма газораспределения двухтактного двигателя с золотниковым управлением выпуском горючей смеси в картер
