Система изменения фаз газораспределения двигателей внутреннего сгорания. Особенности и принцип функционирования системы ВАЗ 2112 - Тюнинг автомобиля ВАЗ 2112

Качество работы двигателя - его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от моментов открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Фазы газораспределения в двигателях внутреннего сгорания - это моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (окон). Фазы газораспределения обычно выражаются в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов. В обычных двигателях фазы изменяться не могут. Работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что в зависимости от режимов двигателя, скорость наполнения горючей смесью цилиндров и выталкивания отработавших газов различны. Кроме того, на высоких оборотах из-за инерционных сил горючая смесь начинает наполнять камеру сгорания лишь к тому моменту, когда поршень близок к нижней мертвой точке, что ухудшает наполняемость цилиндра. Поэтому для лучшего заполнения камер сгорания горючей смесью и эффективной очистки цилиндров желательно чтобы момент и время открытия клапанов, в зависимости от режимов работы двигателя, также изменялись.

Для устойчивой и экономичной работы двигателя на холостом ходу необходимо обеспечить узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Отсутствие перекрытия фаз позволяет исключить попадание выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части рабочей смеси в приемную трубу.

Для получения максимальной мощности на высоких оборотах необходимо, чтобы впускные клапаны открывались заранее и на более длительный интервал времени, т. е. фазы газораспределения были максимально широкими. Кроме того, немаловажную роль в наполнении цилиндров играет и то, насколько быстро камера сгорания очищается от отработанных газов, то есть выпускные клапаны также должны открываться по-разному, в зависимости от оборотов двигателя. При этом для лучшей очистки цилиндров фазы перекрытия клапанов должны быть тем шире, чем выше обороты двигателя.

Таким образом, задачей механизма газораспределения является обеспечение наивысшей эффективность наполнения и очистки цилиндров на всех режимах работы двигателя. От того, насколько оптимально подобраны фазы газораспределения, зависит экономичность двигателя, мощность и развиваемый момент.

Система изменения фаз газораспределения непрерывно модифицирует фазы исполнительного механизма изменения фаз газораспределения и распредвала привода впускных клапанов под действием гидравлического давления, которым управляет масляный управляющий клапан (OCV) так, чтобы фазы открытия и закрытия клапанов оптимально соответствовали условиям работы двигателя. Работа масляного управляющего клапана (OCV) базируется на сигналах от датчика положения распредвала согласно условиям работы двигателя. Он управляет гидравлическим давлением, действующим на исполнительный механизм изменения фаз газораспределения.

Какие бывают системы изменения фаз газораспределения.

В начале 1990-х гг. появились двигатели с автоматическими устройствами для изменения фаз газораспределения. Обычно в приводном шкиве (или звездочке) распределительного вала впускных клапанов размещается специальное устройство, которое имеет гидравлический привод от смазочной системы двигателя и может поворачивать распределительный вал относительно приводной звездочки (шкива) и, следовательно, относительно коленчатого вала.

Рис. 6

Схема работы механизма изменения фаз газораспределения: б° - диапазон изменения фаз газораспределения

Рис. 7

При этом впускные клапаны могли открываться и закрываться раньше или позже. Изменение фаз открытия и закрытия впускных клапанов оказывает больший эффект, чем изменение аналогичных фаз выпускных клапанов. Первые устройства обеспечивали простое переключение в два положения, обеспечивая один угол перекрытия для малых оборотов двигателя, а другой - для высоких оборотов и нагрузки. Этого было достаточно для того, чтобы обеспечить хороший пуск, достаточный крутящий момент при сравнительно малых оборотах и нагрузках двигателя и возможность достижения большой мощности при высоких оборотах. Постепенно были разработаны устройства, которые могли изменять фазы газораспределения во всем диапазоне оборотов двигателя, а некоторые производители начали изменять фазы открытия-закрытия выпускных клапанов, в основном для того, чтобы снизить выбросы вредных веществ. Сегодня изменяемые фазы газораспределения VIVT (Variable Inlet Valve Timing) стали общепринятыми и появился целый ряд двигателей, оборудованных системой изменения фаз газораспределения во всем диапазоне. В некоторых ГРМ имеется возможность отключать один из впускных клапанов в каждом цилиндре. Такое устройство используется компанией Honda в высокофорсированном двигателе CVT. Здесь не обеспечивается полное отключение клапана, а происходит его открытие на небольшую величину в целях исключения возможности его прихвата к седлу.

Рис. 8

Альтернативной разработкой, впервые использовавшейся фирмой Toyota, а сейчас широко применяемой в двигателях с двумя впускными клапанами на цилиндр, стало простое закрытие одного из впускных патрубков с помощью автоматически управляемой заслонки. Обычно два впускных патрубка имеют разную форму: один, который всегда остается открытым, имеет форму, которая обеспечивает турбулизацию горючей смеси в камере сгорания, чтобы создать хорошо перемешанный поток, необходимый работе двигателя на малых оборотах, и другой, короткий прямой патрубок, открывающийся при высоких оборотах и нагрузке обеспечивает максимально возможное наполнение цилиндров. Двигатели, имеющие устройства такого типа, получили название двигателей с изменяемой длиной впускных трубопроводов. Более сложные системы могут постоянно и плавно изменять длину впускных трубопроводов.

Рис. 9

Перспективными конструкциями ГРМ являются механизмы без распределительного вала, в которых клапаны управляются индивидуальными устройствами с помощью электромагнитных соленоидов. Использование такой техники дает возможность индивидуального контроля за работой каждого клапана. При этом можно не только оптимально управлять временем открытия каждого клапана и обеспечивать получение максимальных мощности или крутящего момента, но и отключать некоторые цилиндры полностью или переводить их на малую нагрузку для более эффективной работы остальных цилиндров. Можно переводить двигатель в режим компрессора, разгружая, таким образом, тормоза, и, возможно, запасая часть энергии при спуске с возвышенности (рекуперация). Но главное преимущество этой системы заключается в том, что время и степень открытия клапанов в любой момент времени могут быть оптимальными для работы двигателя при данных условиях движения. Сегодня уже созданы такие экспериментальные системы с хорошей эффективностью действия (уменьшено потребление топлива до 20%). Кроме того, конструкция самого двигателя может быть упрощена, потому что обычный привод - цепи, зубчатые ремни, механизм натяжения, шестерни и кулачковые валы - становятся ненужными. Препятствием на пути к широкому применению таких "бескулачковых" клапанных механизмов является большое потребление электроэнергии и большие габариты при водных устройств, получаемые при существующем 12-вольтовом электрооборудовании. Эти проблемы значительно уменьшаются в случае повышения рабочего напряжения на борту в несколько раз.

Работа в соответствии с условиями движения: холостой ход, малые нагрузки

Благодаря уменьшению перекрытия, меньше продуктов сгорания возвращается в цилиндр. Это стабилизирует частоту вращения холостого хода, улучшая топливную экономичность, а также гарантирует стабильность работы двигателя при малых нагрузках.

Средние нагрузки

Перекрытие увеличивается, а отношение EGR в цилиндре - растет. При этом уменьшаются потери на трение (насосные потери), понижается температура сгорания и уменьшается количество СO в отработавших газах. Количество выбросов углеводородов также уменьшается вследствие повторного дожигания не воспламененного газа.

Большая нагрузка, низкая и средняя скорости

Впускные клапаны закрываются рано, что обеспечивает высокий объемный к. п. д., при этом улучшается крутящий момент в диапазоне низких и средних скоростей.

Большая нагрузка, диапазон больших скоростей

Впускные клапаны закрываются позже, высокий объемный к. п. д. обеспечивает максимальную мощность.

При низкой температуре

Перекрытие минимизировано для предотвращения попадания продуктов сгорания в цилиндры и уменьшения количества дополнительно впрыскиваемого в цилиндры топлива. При этом улучшается топливная экономичность и стабилизируются повышенные обороты холостого хода.

При пуске или останове двигателя

Пусковые качества улучшились вследствие уменьшения перекрытия, так как продукты сгорания не возвращаются в цилиндр.

Как правило, изменение фаз газораспределения применяется в двигателях с двумя распределительными валами, один из которых служит для открытия впускных клапанов, другой - выпускных. Широкое распространение находят системы с изменение натяжения цепи по принципу гидравлического кольца. Изменение фаз газораспределения при таком виде производится только для впускных клапанов. Распределительный вал для открытия выпускных клапанов приводится во вращение от коленчатого вала двигателя через шестерню или звездочку ременной или цепной передачи 1, а распределительный вал для открытия впускных клапанов через цепную передачу от звездочки установленной на распределительном вале привода выпускных клапанов 2.

Рис. 10. Привод системы с изменение натяжения цепи по принципу гидравлического кольца: 1 - привод распределительного вала для выпускных клапанов; 2 - звездочка распределительного вала для привода выпускных клапанов; 3 - звездочка распределительного вала для привода впускных клапанов.

Положительная добавка мощности от увеличения перекрытия клапанов на высоких оборотах двигателя частично компенсируется отрицательным фактором - снижением дозарядки топливно-воздушной смесью (ТВС) в результате уменьшения угла закрытия клапана после прохода НМТ. Регулировка ФГР масштабированием диаграммы подъема кулачка в серийном производстве реализовано фирмой Honda в виде попеременно работающих кулачков с различной разверткой: на малых оборотах - с "узкими" фазами, на высоких (порядка 5000 об/мин) - с "широкими". Переключение происходит под управлением давления масла в системе смазки с помощью гидроцилиндров. Таким образом, варьируются не только ФГР, но и высота подъема кулачка. Сложность изготовления, настройки и эксплуатации подобных устройств не дали им широкого распространения, хотя они и позволяют повысить удельную литровую мощность до 100 л. с./дм3 без наддува. Разрабатываемые вазовскими специалистами конструкции, копирующими хондовскую, несовершенны по массово-кинематическим параметрам, сложны с технологической точки зрения и требуют перехода на новую головку блока, что ставит под сомнение воплощение самой идеи в металле. На самарском предприятии "Гидроавтоматика" на основе патента РФ №2133348 во втором квартале 2000 года будет изготовлена опытная партия устройств для регулировки ФГР, полностью унифицированных с гидроопорами 21214-1007160 и не требующих никаких других переделок в двигателе, кроме установки распредвала с "широкими" ФГР. В условиях конвейерной сборки это повлечет за собой только перенастройку шлифовального станка для распредвалов. Регулировка фаз данными устройствами в отличие от "ступенчатых" хондовских осуществляется плавно во всем диапазоне вращения коленчатого вала двигателя, благодаря чему обеспечиваются оптимальные ФГР для всех режимов работы двигателя. Изменение ФГР происходит за счет податливости штока устройства (гидроопоры): на малых оборотах утопание штока составляет 2-3 мм, на высоких (около 4000 об/мин) шток стоит жестко, как у обычной гидроопоры, т. е. утопание равно нулю. Соответствующим образом (исходя из соотношения частей рокера, разделенных линией соприкосновения с кулачком) и почти линейно от оборотов двигателя изменяется высота подъема и углы начала и конца открытого состояния клапана. Диапазон регулировки - до 60° с каждой стороны развертки по углу поворота коленчатого вала двигателя! Причем и у выпускного клапана тоже. В результате перекрытие клапанов варьируется в пределах 120°! Таким образом параметры наполнения цилиндров ТВС двухклапанных двигателей приближаются и даже превосходят аналоги четырехклапанных! Возрастают мощность и крутящий момент особенно в диапазоне высоких оборотов, без ухудшения экономичности и экологичности двигателя. Единственным недостатком подобной схемы регулирования ФГР является шум на малых оборотах вращения коленвала двигателя от достаточно высокой скорости посадки тарелки клапана на седло Однако вся остальная кинематическая цепочка (торец клапана-рокер-кулачок-шток гидроопоры) работает в беззазорном состоянии, поэтому ресурс данных деталей не должен измениться, а излишний шум присутствует только на малых оборотах и в сумме не превышает допустимый предел. Схожие недостатки есть и у обычных гидроопор, что уравнивает их позиции. Наличие приглушенного стука клапанов можно снизить раздельным приводом клапанов (т. е. выпускные - обычными гидроопорами), дополнительной звукоизоляцией, но он же и предотвратит повторную попытку запуска двигателя, предупредит пешеходов о приближении автомобиля, будет способствовать удалению нагара с тарелок клапанов и приработки их поверхностей и седел клапанов.

Система изменения фаз газораспределения двигателей внутреннего сгорания. Особенности и принцип функционирования системы ВАЗ 2112 - Тюнинг автомобиля ВАЗ 2112

Похожие статьи