Фазы газораспределения двигателя – что это такое и как они работают

Содержание

Фазы газораспределения двигателя. Что это такое? Диаграмма

Работа двигателя зависит от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия — закрытия впускных и выпускных клапанов. Объясним, что это такое и зачем нужны.

Что это такое?

Фаза газораспределения — это период от момента открытия клапанов до момента их закрытия. Выражается в градусах поворота коленчатого вала. Их задача — обеспечить наивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От оптимально подобранных фаз зависит экономичность мотора, мощность, развиваемый момент.

Влияние на работу мотора

В большинстве двигателей фазы меняться не могут. КПД таких моторов 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 с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия (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 высокого крутящего момента через цилиндры необходимо прогнать больший объём газов, чем 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. Посудите сами. С одними и теми же фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. Плюс устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным, экологичным.

Изменяемые фазы газораспределения

Если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы мотора?

Один из способов это применение фазовращателя. Это специальная муфта, 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. Как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

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

Например, система VVTL-i после достижения 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 обеспечивает больший ход. При раскрутке коленвала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000—6500 об/мин у двигателя открывается «второе дыхание». Оно способно придать автомобилю резкий 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 их открытия. Правда, механический привод заменяется электромагнитным.

В чём плюс электромагнитного привода? Подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия 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. Электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный.

Дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ — невозможно. Выжать больше мощности с того же объёма при меньшем расходе можно будет с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия.

amastercar.ru

ГРМ двигателя автомобиля

Механизм газораспределения служит для осуществления своевременного впуска в цилиндр горючей смеси (например, бензина и воздуха) и выпуска отработавших газов. В головке блока цилиндров помещаются минимум два клапана – впускной и выпускной. Клапаны приводятся в движение деталями механизма газораспределения. Через впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь или воздух; через выпускной клапан выходят отработавшие газы в атмосферный воздух через систему выпуска.

Устройство и принцип действия механизма газораспределения

В бензиновых и дизельных двигателях применяется механизм газораспределения клапанного типа, сейчас уже, в основном, с верхним расположением клапанов. Это значит, что клапаны находятся сверху, в головке блока цилиндров, как показано на рисунке 4.8.

Так, при верхнем расположении клапаны с пружинами и деталями их крепления установлены в направляющих втулках в головке блока цилиндров, в которой также отлиты впускные и выпускные каналы.


Рисунок 4.8 Головка блока цилиндров с газораспределительным механизмом.

Усилие от кулачков распределительного вала, расположенного здесь же – в головке блока, к клапанам передается с помощью толкателей и/или коромысел. Коромысла установлены шарнирно на оси, закрепленной на головке блока. Клапаны на головке закрыты крышкой.

 О тепловом зазоре

Между стержнем клапана, толкателем или концом коромысла газораспределительного механизма должен быть зазор (так называемый тепловой зазор), который необходим для компенсации удлинения стержня клапана при его нагревании без нарушения плотности посадки клапана в гнезде. Другими словами, если бы не было зазора, грубо говоря, между кулачком распредвала и клапаном, то от нагрева до высокой температуры, клапан увеличился бы в длину и перестал бы плотно прилегать к седлу в головке блока цилиндров.

Величина зазора для двигателей разных марок устанавливается для впускных клапанов в холодном состоянии в пределах 0,15—0,30 мм, а для выпускных клапанов, подвергающихся большему нагреву, — в пределах 0,20—0,40 мм. Однако же, у некоторых производителей зазор может быть таков, что не попадет в указанные диапазоны.

Для регулировки величины этого зазора в механизме предусмотрены регулировочные устройства. Хотя слово «устройство» слишком громкое для регулировочного болта и стопорной гайки (Рисунок 4.9) или шайб различной толщины (Рисунок 4.10).


Рисунок 4.9 Регулировка теплового зазора с помощью болта.


Рисунок 4.10 Регулировка теплового зазора с помощью шайб
(А – головка блока цилиндров без распределительного вала;
Б – головка блока цилиндров с распределительным валом).

Сейчас очень распространена конструкция с гидравлическими компенсаторами, которые под давлением масла подводят коромысло или толкатель к кулачку распределительного вала, убирая тем самым негативное последствие теплового зазора, а именно — удар кулачка о толкатель во время работы. Но стоит упомянуть, что установка гидрокомпенсаторов удорожает конструкцию головки блока цилиндров и повышает свои требования к качеству используемого моторного масла и к частоте его замены, поскольку масляные каналы компенсатора могут забиваться продуктами износа.

Примечание
Более подробно о гидрокомпенсаторах приведено ниже.

 Предварительно о распределительном вале

Примечание
Почему предварительно? Потому что для целостности восприятия данного раздела о распределительном вале необходимо сказать несколько слов, а более подробное описание данной детали будет дано ниже.

Правильность чередования различных тактов в цилиндрах двигателя достигается соответствующим расположением кулачков на распределительном валу, а также правильностью установки зацепления распределительных шестерен/шкивов с приводной шестерней/шкивом коленчатого вала.

В четырехтактном двигателе рабочий цикл во всех цилиндрах завершается за два оборота коленчатого вала. За это время в каждом цилиндре должны по одному разу открыться и закрыться впускной и выпускной клапаны, что происходит за каждый оборот распределительного вала. Таким образом, распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее коленчатого вала. Для этого шестерня распределительного вала имеет вдвое большее число зубьев, чем шестерня коленчатого вала, либо же шкив по диаметру должен быть в два раза больше шкива коленчатого вала.

Фазы газораспределения четырехтактного двигателя

Для лучшего наполнения цилиндров свежим зарядом и наиболее полной очистки их от отработавших газов моменты открытия и закрытия клапанов в четырехтактных двигателях не совпадают с положениями поршней в ВМТ и НМТ, а происходят с определенным опережением или запаздыванием. Иначе говоря, впускной клапан может закрываться после того, как поршень пройдет НМТ, а выпускной — закрываться после ВМТ.

Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах, соответствующих величинам углов поворотов кривошипа коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения. Фазы газораспределения могут быть нанесены на круговую диаграмму, называемую диаграммой газораспределения, как показано на рисунке 4.11.

Пожалуй, будет проще показать это на примере. Так, если говорят, что клапан открывается за 5 градусов до ВМТ, значит клапан начал открываться в то время, когда кривошип коленчатого вала, к которому присоединен шатун поршня, находился за 5 градусов до верхней мертвой точки.


Рисунок 4.11 Диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя.

Впускной клапан начинает открываться немного раньше, чем поршень придет в ВМТ. При этом к началу хода поршня вниз при такте впуска клапан уже немного откроется. Опережение открытия впускного клапана для двигателей разных моделей колеблется в разных диапазонах. Зачастую закрытие впускного клапана происходит с определенным запаздыванием, когда поршень перейдет НМТ и начнет двигаться вверх. При этом некоторое время после перехода НМТ, несмотря на начавшееся незначительное движение поршня вверх, заполнение цилиндра зарядом будет продолжаться вследствие некоторого разрежения, еще имеющегося в цилиндре, а также вследствие инерции заряда, движущегося во впускном трубопроводе.

Примечание
Однако стоит отметить, что существует как минимум два цикла, именуемых циклами Миллера и Аткинсона, при которых впускной клапан закрывается не так, как на обычных ДВС.

Таким образом, время открытия впускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала; продолжительность впуска при этом увеличивается, и цилиндр более полно заполняется свежим зарядом.

Выпускной клапан открывается раньше прихода поршня в НМТ.

При этом газы, находясь в цилиндре под большим давлением, быстро начинают выходить наружу, несмотря на то, что поршень еще движется вниз. Затем поршень, пройдя НМТ и двигаясь к ВМТ, будет выталкивать оставшиеся в цилиндре газы. Выпускной клапан закрывается тогда, когда поршень перейдет ВМТ. Несмотря на то, что поршень начнет уже немного опускаться вниз, газы будут продолжать выходить из цилиндра по инерции и вследствие отсасывающего действия потока газов, движущихся в выпускном трубопроводе. Таким образом, время открытия выпускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала, и цилиндр лучше очищается от отработавших газов.

Примечание
Угол поворота кривошипа, соответствующий положению, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно открыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие незначительности этого угла и ничтожной величины зазора между клапанами и гнездами, возможность утечки горючей смеси исключена. Перекрытие клапанов необходимо для дополнительной продувки цилиндра с целью лучшей наполняемости свежим зарядом.

Некоторое уменьшение давления газов на поршень, происходящее при рабочем ходе вследствие раннего открытия выпускного клапана, и потеря части работы газов при этом восполняются тем, что поршень, движущийся при такте выпуска вверх, не испытывает большого сопротивления от газов, оставшихся в небольшом количестве в цилиндре.

Изменение фаз газораспределения

С развитием технологий перед конструкторами и инженерами открылись серьезные перспективы в повышении эффективности работы двигателя – увеличение мощности с одновременным снижением расхода топлива стало новым трендом в автомобильной промышленности. Для того, чтобы оптимизировать работу двигателя внутреннего сгорания, необходимо подстраивать фазы газораспределения под все режимы нагрузки – от холостого хода до полной нагрузки.

Примечание
Обороты холостого хода — это минимальные обороты, при которых двигатель может работать устойчиво без нагрузки. Вы запустили двигатель, при этом никакого движения и воздействия на педаль газа не происходит.

А как изменять фазы газораспределения? — Проворачивать распределительный вал относительно коленчатого вала, изменяя тем самым моменты открытия клапанов. Прибавим к этому управление опережением зажигания* и это даст возможность управлять началом и концом тактов двигателя и позволило настолько оптимизировать работу ДВС, что показатели мощности и расхода топлива улучшились многократно.

Примечание
* Опережение зажигания. Для того чтобы топливовоздушная смесь успела сгореть, пока поршень движется от верхней мертвой точки к нижней, ее необходимо поджигать немного раньше. Основным показателем является угол опережения зажигания, который говорит нам о том, за сколько градусов до ВМТ на такте сжатия возникнет пробой между электродами свечи. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель угол опережения зажигания должен изменяться, что реализуется с помощью распределителя зажигания или электронного блока управления двигателя (подробнее об этом рассмотрено в главе 10 «Электрооборудование и электросистемы», раздел 10.4 «Система зажигания»).

Суть системы проста. На распределительный вал (или валы) устанавливается специальный механизм, на внешней части которого есть звездочка для приводной цепи от коленчатого вала. Механизм этот устанавливается так, что может проворачивать распределительный вал в сторону опережения или запаздывания, в зависимости от режима работы двигателя.

Если говорить более подробно, то работа механизма изменения фаз газораспределения (фазовращателя) происходит, как описано ниже.

Коленчатый вал через приводную цепь вращает фазовращатель, который установлен на распределительном валу. В момент, когда необходимо сместить время открытия клапанов в сторону запаздывания или опережения, фазовращатель проворачивает распредвал в соответствующую сторону.


Рисунок 4.12 Внешний вид фазовращателя.

Фазовращатели, в основном, устанавливают на впускной распределительный вал (вал, который открывает только впускные клапаны), но сейчас все чаще данные механизмы монтируют на оба распредвала – впускной и выпускной.

Изменяемая высота клапана

В современных бензиновых двигателях количество топливной смеси регулируется с помощью дроссельной заслонки – заслонка открывается, поступает больше воздуха, в соответствии с этим впрыскивается больше топлива. Воздух, необходимый для приготовления топливовоздушной смеси, пока доберется до цилиндра, преодолеет несколько весьма неприятных препятствий: воздушный фильтр, дроссельную заслонку, клапаны, а это все потери, которые напрямую влияют на мощность ДВС. Попробуйте сами подышать в противогазе не с угольным а с бумажным фильтром… Вот так и двигателю «тяжело дышать». Одно из препятствий на пути воздуха, от которого мечтали избавиться конструкторы, это дроссельная заслонка. Однако как регулировать количество впускаемого воздуха? Решение снова было связано с клапанами. Пришли к тому, что необходимо регулировать высоту клапана. Были системы со ступенчатым регулированием высоты клапана, а именно: клапан открывался только на три разные высоты. Затем придумали систему бесступенчатого открытия клапанов с диапазоном открытия от 1 мм до 10 мм. Это позволило избавиться от дроссельной заслонки – двигателю стало легче «дышать». Однако избавление от дроссельной заслонки изменением высоты открытия клапанов не является самоцелью. Контроль над работой клапанов позволяет еще больше отточить работу четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

Детали клапанной группы

К клапанной группе относятся клапан, направляющая втулка клапана, клапанная пружина с опорной шайбой и деталями крепления (они же — «сухари»). Все описанное приведено на рисунке 4.13.

Клапан служит для закрытия и открытия впускных или выпускных каналов в головке блока цилиндров. Основными элементами клапана являются тарелка и стержень.

Тарелка клапана имеет шлифованную конусную рабочую поверхность — фаску (обычно под углом 45°), которой клапан плотно притерт к седлу.

Стержень клапана отшлифован и проходит через направляющую втулку. На конце стержня клапана имеется канавка или отверстие для крепления опорной шайбы пружины. Разноименные клапаны имеют тарелки различных диаметров (зачастую, больший — у впускного клапана) или отличаются специальными метками.


Рисунок 4.13 Клапанный механизм.

Седло клапана (на рисунке 4.13) представляет собой металлическое кольцо цилиндрической формы с обработанной под углом 45 градусов рабочей поверхностью (той самой, к которой прилегает тарелка клапана). Седла клапанов запрессованы в головку блока цилиндров. Существуют конструкции с заменяемыми седлами и с седлами, запрессованными наглухо.

Направляющая втулка, в которой клапан устанавливается стержнем, обеспечивает точную посадку клапана в седло. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.


Рисунок 4.14 Клапан.

Клапанная пружина удерживает клапан в закрытом положении, обеспечивая плотную его посадку в гнезде, а также создает постоянное прижатие толкателя к поверхности кулачка распределительного вала. Пружину надевают на выходящий из втулки конец стержня клапана и закрепляют на нем в сжатом состоянии с помощью опорной шайбы с коническими разрезными сухарями, которые входят в выточку на стержне клапана. Иногда на клапан устанавливают две пружины: пружину меньшего диаметра — внутрь пружины большего диаметра. Это делается для того, чтобы избежать резонанса пружины на определенных частотах работы двигателя, а также для подстраховки на случай поломки пружины. Часто применяются пружины с переменным шагом витков. Это исключает вероятность возникновения вибрации пружины и ее поломки при большом числе оборотов коленчатого вала двигателя. При установке двух пружин их подбирают таким образом, чтобы направление навивки их витков было выполнено в разные стороны, что также устраняет опасность возникновения резонансных колебаний пружин.

Для ограничения количества масла, поступающего в направляющую втулку, и устранения подсоса масла в цилиндр через зазоры во втулке на верхних впускных клапанах под опорной шайбой ставят маслосъемные колпачки.

Толкатель служит для передачи осевого усилия от кулачка распределительного вала на стержень клапана или на штангу. Дело в том, что передавать усилие от кулачка распредвала лучше именное через промежуточное звено – толкатель. Поскольку при длительной работе элементы клапанного механизма изнашиваются и, когда приходит время замены чрезмерно износившихся деталей, проще заменять небольшой толкатель, нежели целый распредвал или клапаны.


Рисунок 4.15 Головка блока цилиндров с элементами газораспределительного механизма.

Как было отмечено выше, сейчас получили широкое распространение так называемые гидрокомпенсаторы. «Гидро», потому что работают за счет давления моторного масла, а «компенсаторы», так как компенсируют или, проще говоря, сводят на нет зазор между кулачком распределительного вала и толкателем во время работы.

Толкатели в большинстве двигателей устанавливают без втулок непосредственно в отверстия приливов головки блока цилиндров. В некоторых двигателях для толкателей имеются направляющие втулки, отлитые секцией на несколько цилиндров.

Коромысло. Изменяет направление передаваемого движения. Устанавливают зачастую, когда распределительный вал один, а клапанов на цилиндр два или четыре, но расположены они особым образом (смотрите рисунок 4.16). Коромысла устанавливают на бронзовых втулках или без втулок на осях, которые при помощи стоек закреплены на головке блока. Одно плечо коромысла располагается над стержнем клапана, а другое — под или над кулачком распределительного вала. Для регулировки зазора между стержнем клапана и коромыслом в конец коромысла вкручен регулировочный винт с контргайкой.


Рисунок 4.16 Привод клапанов через коромысло.

Распределительный вал и его привод

Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Вал имеет впускные и выпускные кулачки (смотрите рисунок 4.17) и опорные шейки*.


Рисунок 4.17 Газораспределительный механизм в сборе.

Примечание
* На рисунке 4.17 опорные шейки не показаны, так как изображение схематическое и приведено для предварительного ознакомления. Получить представление о внешнем виде распределительных валов можно из рисунка 4.18.

Кулачки изготавливают как одно целое с валом. Однако существуют сборные конструкции, когда кулачки напрессовывают на вал.

Для каждого цилиндра у четырехтактных двигателей в зависимости от количества клапанов имеются два и более кулачков: впускных и выпускных. Форма кулачка обеспечивает плавный подъем и опускание клапана и соответствующую продолжительность его открытия. Одноименные кулачки для каждого цилиндра (например, впускные) располагают в четырехцилиндровых двигателях под углом 90°, в шестицилиндровых — под углом 60° и в восьмицилиндровых — под углом 45°. Разноименные кулачки (впускные и выпускные) устанавливают под углом, величина которого зависит от фаз газораспределения. Вершины кулачков располагаются в принятом для двигателя порядке работы с учетом направления вращения вала.


Рисунок 4.18 Головка блока цилиндров с распределительными валами.

 Как распредвал приводится во вращение?

Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала разными способами. Самыми распространенными являются: цепной и ременной привод, реже используется шестеренный.

Цепной привод. На конце коленчатого и распределительного валов устанавливают звездочки (как на велосипеде) и надевают приводную цепь. Для того чтобы исключить биение цепи, дополнительно устанавливают успокоитель, который представляет собой длинную планку, по которой перемещается цепь. Обычно с другой стороны устанавливают направляющую натяжителя цепи. Цепной привод можно изучить так же на рисунках 4.19 и 4.20.


Рисунок 4.19 Схема цепного привода газораспределительного механизма.


Рисунок 4.20 Пример цепного привода газораспределительного механизма.

Ременной привод. На коленчатый и распределительный валы устанавливаются зубчатые шкивы, чем-то напоминающие звездочки, однако намного шире их. На эти зубчатые шкивы надевается зубчатый ремень. Для удобства снятия и установки приводного ремня устанавливают натяжитель ремня (часто автоматический). Пример привода распределительного вала (или валов) с помощью зубчатого ремня приведен на рисунках 4.21 и 4.22.


Рисунок 4.21 Схема ременного привода газораспределительного механизма.


Рисунок 4.22 Пример ременного привода газораспределительного механизма.

Шестеренный привод. Привод распределительного вала осуществляется от шестерни на коленчатом валу через ряд промежуточных шестерен или напрямую, как показано на рисунке 4.23.


Рисунок 4.23 Шестеренный привод газораспределительного механизма.

Отключаемые клапаны

В погоне за экономичностью конструкторы решали одну из беспокоящих их проблем: что делать, когда двигатель, работая, использует всего 15–20 % своей мощности. Такое бывает, когда мы стоим, например, в пробке или едем по трассе на крейсерской скорости.

Примечание
Крейсерская скорость – скорость, при которой достигаются оптимальные показатели топливной экономичности. Термин, конечно, более подходящий для авиационной промышленности, однако, если мы едем по магистрали на пятой, а то и шестой передаче, то он вполне применим и в этой отрасли.

А если мощность используется не вся, то зачем работать всем цилиндрам двигателя? Что, если взять и отключить, например, на стоящем в пробке автомобиле, два из четырех цилиндров.

Ведь пары цилиндров вполне хватит для того, чтобы двигатель работал на холостых оборотах. В оставшиеся два цилиндра перестают подавать топливо и, чтобы они попросту не перекачивали воздух по впускному и выпускному коллектору, закрывают впускные и выпускные клапаны. Для выполнения такой незамысловатой операции придумали относительно простое решение: на распределительном вале рядом с обычными кулачками расположили кулачки с «нулевой высотой», то есть они никак не воздействуют на толкатель клапана.

Так при нормальной работе распределительный вал вращается и все клапаны выполняют свое назначение, а когда возникает необходимость в отключении клапанов, открывается специальный клапан, через который моторное масло под давлением, воздействуя на распределительный вал, смещает его в направлении продольной оси; кулачки с обычным профилем как открывали, так и открывают клапаны, а там где кулачки имеют «нулевую высоту», они просто-напросто не достают до клапанов, и те, в свою очередь, стоят неподвижно.

Примечание
Различные фирмы в разные времена предложили несколько схем реализации описанной выше операции по отключению части клапанов. Выше приведен лишь один из способов.

monolith.in.ua

Фазы газораспределения двигателя. Что это такое?

Работа двигателя зависит от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Объясним, что такое фазы газораспределения и их влияние на работу двигателя.

Что такое фазы газораспределения?

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 завис

autoexpert.today

Фазы и механизм газораспределения двигателя

Термин «фаза» означает часть, этап или ступень какого-то процесса. Поэтому впускная и выпускная фазы газораспределения – часть полного цикла работы двигателя внутреннего сгорания. Прочитав статью, вы узнаете, что происходит во время фаз, каким образом двигатель регулирует их и на что влияют фазы газораспределения.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Воспламенение топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя приводит к выделению выхлопных газов и увеличению температуры. Во время такта сжатия поршень движется к верхней мертвой точке (ВМТ) сжимая топливовоздушную смесь или воздух (дизельный двигатель).

Воспламенение происходит незадолго до ВМТ. В бензиновом двигателе топливовоздушную смесь воспламеняет искра свечи зажигания. В дизельном моторе в раскаленный от сжатия воздух впрыскивают распыленное топливо. Когда поршень приближается к нижней мертвой точке (НМТ), наступает выпускная фаза газораспределения. Выпускной клапан открывается и поднимающийся к ВМТ поршень выдавливает из цилиндра продукты горения топливовоздушной смеси. Когда поршень подходит к ВМТ заканчивается фаза выпуска и начинается фаза впуска. Поршень движется в ВМТ, в цилиндре возникает разряжение, благодаря которому воздух засасывает внутрь камеры сгорания. После достижения ВМТ фаза впуска завершается и начинается такт сжатия.

Устройство механизма газораспределения

Газораспределительный механизм (ГРМ) состоит из:

  • одного или двух кулачковых распределительных валов, на каждый из которых установлена своя шестерня;
  • шестерни коленчатого вала;
  • цепного или ременного привода.

Число зубьев шестерни распределительного вала всегда в 2 раза больше, чем у шестерни коленчатого вала.

Благодаря этому за два оборота коленчатого вала происходит лишь один оборот распределительного вала. Это позволяет открывать и закрывать клапаны головки блока цилиндров (ГБЦ) в зависимости от такта двигателя. Фазы газораспределения зависят от расположения кулачков распределительного вала. Поэтому на одновальных двигателях возможна только одновременная регулировка фаз впуска и выпуска. На двухвальных двигателях возможна раздельная регулировка фазы впуска и фазы выпуска. Это позволяет оптимизировать работу двигателя под различные режимы.

Когда кулачок распределительного вала доходит до клапана, то начинает давить на него до тех пор, пока клапан полностью не откроется. Затем кулачок проходит дальше и пружина начинает выдавливать клапан, стремясь закрыть его. Как только давление со стороны распределительного вала исчезает, пружина полностью закрывает клапан. Угол поворота распределительного вала, в течение которого впускные или выпускные клапаны одного цилиндра открыты и называется фазой газораспределения.

На что влияют фазы ГРМ

В двигателях современных бюджетных автомобилей не предусмотрена автоматическая регулировка фаз газораспределения, поэтому они настроены на средний режим работы. Форма кулачков распределительных валов таких двигателей рассчитана на максимальное наполнение и освобождение цилиндров при скорости вращения, близкой к максимальному крутящему моменту. Обычно он расположен между 2/3 и 3/4 от максимальных оборотов. Поэтому такой двигатель «плохо тянет» на оборотах ниже половины от максимальных.

Почему так происходит? Чем выше обороты двигателя, тем быстрей движутся поршни. В результате давление внутри цилиндра во время фазы выпуска возрастает, но пропускная способность выпускного клапана не меняется. Во время фазы впуска поршень движется быстрей, чем на холостых оборотах, но пропускная способность клапана не меняется. Поэтому чем выше обороты двигателя, тем хуже наполнение цилиндров. Поэтому нередко фазы выпуска и выпуска пересекаются. В то время когда выпускной клапан закрывается, но еще открыт, начинает открываться впускной клапан.

На холостых и низких оборотах часть топлива, которая поступает в двигатель, уходит в выхлопную трубу. Это снижает мощность и экономичность двигателя. По мере роста оборотов влияние этого эффекта слабеет. Поэтому чем выше обороты двигателя, тем длинней должны быть фазы газораспределения. Это позволит избежать снижения мощности мотора.

Если сдвинуть фазы газораспределения от оптимальной точки, то произойдет резкое падение мощности мотора. Ведь цилиндры будут или не до конца освобождаться от выхлопных газов или не до конца наполняться топливовоздушной смесью. Однако оптимальная точка начала фазы и ее продолжительность зависят от нагрузки на мотор и оборотов двигателя. Поэтому тюнинговые мастерские и умелые автомобилисты устанавливают вместо штатной шестерни распределительного вала разрезную шестерню, с помощью которой можно сдвигать фазу на угол до 10 градусов. Также используют тюнинговые распределительные валы, рассчитанные на различные режимы и нагрузки. Те, кто предпочитает ездить на максимальной скорости, устанавливают валы с максимальными фазами впуска и выпуска. Те же, кто ездит на средних оборотах двигателя, избегая резких стартов и больших скоростей, ставят валы с чуть уменьшенными фазами.

Регулятор фаз газораспределения

Существует большое количество моделей фазорегуляторов, которые работают по различным алгоритмам. Однако, общий принцип неизменен. Когда двигатель работает на низких оборотах, фазорегулятор сокращает впускную и выпускную фазы. Это позволяет сократить расход топлива.

Когда двигатель начинает работать на высоких оборотах или под нагрузкой, регулятор увеличивает продолжительность фаз, а нередко и точку их начала. Это позволяет не только увеличить мощность и крутящий момент, но и снижает расход топлива. Наиболее популярны модели фазорегуляторов, которые работают на основе центробежного принципа. Чем выше обороты двигателя, тем сильней они натягивают цепь или ремень привода ГРМ, тем самым сдвигая и фазы газораспределения. Благодаря тому, что эти устройства регулируют натяжение ремня или цепи со стороны обоих распределительных валов, они эффективно сдвигают обе фазы. Такие фазорегуляторы не требуют настройки, однако после пробега в 40-70 тысяч километров необходимо менять уплотнительные кольца гидроцилиндров.

Более сложные регуляторы представляют собой систему из датчиков, контроллера двигателя и исполнительных устройств. Однако, принцип их работы точно такой же, как у центробежных. Исполнительное устройство увеличивает или ослабляет натяжение цепи со стороны впускного и выпускного валов. Благодаря этому каждая фаза регулируется отдельно. Такие системы требуют настройки и регулярной проверки. Благодаря тому, что исполнительные механизмы работают от электричества, нет необходимости в регулярной замене уплотнительных колец. Существуют также системы, в которых электронное управление совмещено с гидравлическим приводом. В таких системах регулировка происходит не за счет натяжения цепи, а с помощью увеличения давления внутри шестерни распределительного вала.

Чем выше давление, тем дальше гидропривод проворачивает распределительный вал относительно положения шестеренки.

Как установить фазы газораспределения

На большинстве современных автомобилей, оснащенных механическим ГРМ, фазы газораспределения выставляют одинаково. По ВМТ первого цилиндра. Для этого на корпусе блока цилиндров и ГБЦ, а также на шестернях распределительного и коленчатого валов нанесены специальные метки. В первую очередь совмещают метки коленчатого вала. Затем совмещают метки распределительного (распределительных) валов. После этого надевают и натягивают цепь или ремень, затем проверяют метки. Если метки на месте, коленчатый вал прокручивают 2 или 4 раза и снова проверяют метки. Если метки шестерней распределительного и коленчатого валов совпадают с метками на блоке цилиндров и ГБЦ, то фазы выставлены правильно. Если отличаются, необходимо снять цепь или ремень и повторить все операции. 

vipwash.ru

Фазы газораспределения двигателя | Twokarburators.ru

Как известно работа двигателя внутреннего сгорания состоит из рабочих циклов. Рабочий цикл – это четыре такта (четыре перемещения вверх – вниз, от ВМТ к НМТ поршня в цилиндре). Существуют такты: впуск горючей смеси, сжатие, рабочий ход, выпуск отработавших газов. Каждый такт происходит за пол оборота коленчатого вала двигателя (180º), а весь рабочий цикл – это два оборота коленчатого вала.

Каждому такту (движению поршня) должно соответствовать закрытие, либо открытие впускных и выпускных клапанов цилиндра. Это и есть фазы газораспределения на правильной настройке и установке которых базируется работа всего двигателя автомобиля.

Фазы газораспределения по тактам работы двигателя

Впуск

Поршень движется вниз, засасывая горючую смесь, от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), коленчатый вал при этом поворачивается на 180º. Выпускной клапан закрывается. Впускной открывается с некоторым опережением (12º), еще до прихода поршня в ВМТ, для улучшения наполнения цилиндра горючей смесью. И будет открыт на протяжении всего такта впуска, пока поршень идет вниз.

Сжатие

Поршень движется вверх, сжимая горючую смесь, от НМТ к ВМТ, коленчатый вал поворачивается еще на 180º. Выпускной клапан по прежнему закрыт. Впускной будет открыт еще на протяжении 40º вращения коленчатого вала, несмотря на движение поршня вверх. За счет инерции, через него в цилиндр еще поступит определенная порция горючей смеси. После чего впускной клапан закроется.

Рабочий ход

Поршень движется вниз от ВМТ к НМТ за счет энергии воспламенившейся в конце такта сжатия топливной смеси. При этом впускной клапан закрыт. Выпускной клапан начинает открываться еще до прихода поршня вниз, в НМТ и окончания рабочего хода (42º из 180º поворота коленчатого вала). Таким образом достигается лучшее удаление отработавших газов за счет имеющегося в цилиндре во время рабочего хода большого давления. Давление снижается, снижается и температура в цилиндре, двигатель не перегревается.

Выпуск

Поршень движется вверх от НМТ к ВМТ, выталкивая из цилиндра отработавшие газы, коленчатый вал поворачивается еще на 180º. Впускной клапан закрыт. Выпускной клапан открыт, при чем это открытие продолжается и после достижения поршнем ВМТ, еще 10º поворота коленчатого вала.

Синхронизация перемещения поршня (вращения коленчатого вала) и открытия-закрытия клапанов (вращение распределительного вала) происходит за счет выставления их положения относительно друг друга по установочным меткам. При их совмещении наступает окончание такта сжатия в четвертом цилиндре двигателя (поршень вверху) Установочные метки помимо определения фаз газораспределения используются при выставлении момента опережения зажигания (2105, 2107 и 2108, 2109, 21099).

Установочные метки в приводе ГРМ двигателя 21083

 

Установочные метки в приводе ГРМ двигателя 2103

Имеющиеся на распределительном валу расположенные в определенном порядке кулачки при его вращении нажимают на имеющиеся в приводе клапанов рычаги или опорные стаканы (в зависимости от устройства двигателя) заставляя клапана открываться или закрываться.

В случае смещения этих меток (после ремонта, перескочил ремень, вытянулась цепь ГРМ) правильное взаиморасположение валов относительно друг друга изменяется, и двигатель перестает нормально работать. Смещение фаз газораспределения служит причиной таких неисправностей как невозможность запуска или затрудненный пуск двигателя, неустойчивые обороты холостого хода двигателя, падение мощности и приемистости двигателя, «стрельба» в глушитель или карбюратор и т.п.



Примечания и дополнения

— Существует такой момент в работе двигателя автомобиля, когда при достижении поршнем ВМТ открыты и впускной и выпускной клапан. Это так называемое перекрытие клапанов. Длится оно не долго и существенного влияния на работу двигателя не оказывает. При перекрытии отработавшие газы не проникают во впускной коллектор, наоборот их поток вызывает подсасывание дополнительного объема топливной смеси в цилиндр, улучшая его наполнение.

— Впуск топливной смеси растягивается по времени на несколько тактов и длится 232º поворота коленчатого вала. Выпуск также захватывает несколько тактов и длится 232º.

Еще статьи по автомобильным двигателям

— Проверка и регулировка тепловых зазоров на двигателях автомобилей ВАЗ 2101, 2102, 2103, 2104, 2105, 2106, 2107

— Регулировка клапанов на двигателях автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

— Замена ремня ГРМ на двигателях автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

twokarburators.ru

Регулирование фаз газораспределения ДВС



Эко ДВС





Бюро автомобильных технологий США (VTO), входящее в Министерство энергетики США (DOE), совместно с другими




Эко ДВС





Североамериканское отделение немецкой компании Schaeffler убедительно доказывает, что возможности повышения топливной экономичности и снижения




Эко ДВС





Чтобы отсрочить закат эры ДВС, производители всеми силами пытаются его усовершенствовать. Причем иногда применяют




Эко ДВС





Инженеры Toyota разработали способ применения цикла Аткинсона, используемого в тойотовских гибридах с 1997 года,




Эко ДВС





Уменьшение расхода топлива – один из путей снижения вредных выбросов автомобилей. Уменьшить расход помогают




Эко ДВС





Система управления цилиндрами предназначена для отключения части цилиндров при работе двигателя на небольших нагрузках.


avtonov.info

Фазы газораспределения двигателя. Что это такое?


Фазы газораспределения двигателя. Что это такое?

Работа двигателя зависит от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. В обычном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала.

В данной статье объясним, что такое фазы газораспределения и их влияние на работу двигателя.

Что такое фазы газораспределения?

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.

Дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ — невозможно. Выжать больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия.

real-avto.com

Вам может понравится

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о