Признаки смещения фаз газораспределения двигателя автомобиля
При снятии и установке ремня привода ГРМ двигателя автомобиля есть вероятность сместить положение коленчатого и распределительного валов относительно друг друга (сбить фазы газораспределения).
В редких случаях такое так же возможно если слабо натянутый ремень самостоятельно перескакивает на пару-тройку зубцов.
Разберемся, что изменится в работе двигателя в результате появления такой неисправности и по каким признакам можно понять, что фазы газораспределения сместились от нормы (сбились).
На примере двигателя 21083 (1,5 л) автомобилей ВАЗ 21083, 21093, 21099.
Признаки смещения фаз газораспределения двигателя автомобиля
1. Двигатель стал плохо запускаться.
При смещении фаз газораспределения поджиг топливной смеси происходит либо слишком рано, либо слишком поздно (в зависимости от того в какую сторону произошло смещение фаз). В любом случае пуска двигателя с первой попытки не получится так как будет нарушено нормальное горение смеси и соответственно получение достаточного количества энергии для запуска.
При сильном смещении установочных меток валов относительно друг друга двигатель не удастся запустить вовсе.
2. Двигатель троит на холостых.
Если двигатель автомобиля удастся запустить, на холостом ходу он будет троить. Все из-за нарушения условий сгорания топливной смеси при смещении фаз — момента зажигания, своевременной вентиляции камер сгорания, их наполнения смесью и пр.
Метка на маховике и треугольный вырез в шкале градусов 21083 необходимо выставить друг напротив друга для обеспечения правильного расположения коленчатого вала3. При нажатии на педаль газа появился провал.
При нажатии на педаль газа в цилиндры двигателя устремится большой поток воздуха и бензина, что еще больше усугубит непростую ситуацию с составом и со сгоранием топливной смеси. В замен ожидаемого увеличения оборотов коленчатого вала случится перебой в работе двигателя — провал или даже несколько провалов сразу.
4. Снизилась мощность и приемистость двигателя.
Так как при смещении фаз газораспределения поджиг топливной смеси происходит раньше или позже нужного момента, двигатель не сможет развить нужной мощности и приемистости. Все из-за того, что в первом случае поршню придется тратить силы на сжатие слишком рано загоревшейся и расширяющейся топливной смеси, а во втором, топливная смесь будет гореть вслед за уходящем поршнем, в расширяющемся пространстве и ей не хватит энергии придать ему нужное ускорение.
5. Появились хлопки и выстрелы в глушитель и карбюратор.
Если сбиты фазы газораспределения, впускные и выпускные клапана открываются не своевременно, поэтому в одном случае часть горящей смеси выбрасывается в глушитель, где она догорает хлопками. Или же, наоборот несвоевременное открытие впускных клапанов приводит к выбросу смеси в впускной коллектор, хлопкам и выстрелам в карбюратор.
Следует сказать, что перечисленные признаки могут свидетельствовать о наличии неисправности в других системах механизмах двигателя.
Это следует учитывать при самостоятельной диагностике.
Что делать если обнаружены признаки смещения фаз газораспределения двигателя автомобиля?
Необходимо провести переустановку ремня привода ГРМ двигателя с тщательным выставлением установочных меток. См. «Замена ремня привода ГРМ на двигателях автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099».
Примечания и дополнения
— В ряде случаев, когда фазы газораспределения сбиты незначительно, водитель может вообще не ощутить внезапных изменений в работе двигателя. Но со временем негативные последствия такой неисправности могут проявить себя, например, появлением нагара на свечах зажигания и в камерах сгорания, прогоранием клапанов и пр.
Еще статьи по неисправностям двигателей автомобилей ВАЗ
— Признаки неисправности натяжного ролика ремня ГРМ
— Метка (риска) на маховике двигателя автомобиля
— Три признака неисправности клапанов двигателя автомобиля
— Проверка ремня привода ГРМ на двигателях автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099
— Неисправности газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя автомобиля
— Что стучит в двигателе автомобиля?
Подписывайтесь на нас!
Система изменения фаз газораспределения на дизелях
04.
12.2021
267
Самое время поговорить про систему, найти которую можно даже на самом дешевом силовом агрегате. Как вы уже могли догадаться, речь пойдет про систему смены фаз газораспределения.
Что это такое? По какому принципу работает? Из чего состоит? Да и для чего используется? Постараемся максимально подробно ответить на все эти вопросы. Ну что, поехали!
Впервые система смены фаз газораспределения начали использовать на бензомоторах в 90-х годах прошлого века. Благодаря ее использованию удалось не только увеличить мощность, но также сделать двигатель более экономичным и экологичным. Да, система изменения фаз реально улучшает параметры ДВС и позволяет ему легко адаптироваться к нагрузкам и условиям работы.
По непонятной нам причине, в русском используется очень сложное обозначение этого механизма: «изменение фаз газораспределения». Человек далекий от темы очевидно ничего не поймет. В оригинале это понятие называется «valve timing», что дословно можно перевести как время открытия клапанов.
В реальности же, эта система отвечает за регулировку исключительно моментов открытия/закрытия впускных и выпускных клапанов. Она не может поменять высоту подъема клапанов и также не управляет временем их открытия. И да, время между их открытием и закрытием – остается неизменным.
Принимая во внимание все выше сказанное, что дает сдвигание момента подъема клапанов? Давайте остановимся на этом моменте более подробно.
Кстати, у нас в YouTube есть специальный ролик, в котором мы детально разобрали работу системы изменения фаз газораспределения.
Чтобы было максимально понятно, давайте использовать схемы работы системы смены фаз газораспределения. Дадим краткие пояснения.
Первым, что нужно понять, так это то, что благодаря рассматриваемой сегодня системе, удается сдвинуть момент открытия/закрытия клапанов относительно поршня.
Представьте, что в зависимости от нагрузки выпускной клапан вполне реально открыть намного раньше момента, когда он достигнет мертвой точки, как и закрыть до того, как он достигнет мертвой точки, но уже верхней. Но можно сделать совсем иначе и сдвинуть данные моменты ближе к точке крайнего положения поршня. Похожая ситуация и с впускными клапанами: они открываются до, либо после достижения мертвой точки. Моменты открытия/закрытия бесступенчато регулируются. В противном случае поршни и клапана могут удариться друг о друга.
Кроме этого не стоит забывать, что 4 такта – это два оборота коленчатого вала, т.е. 720 градусов вращения. Распределительные валы медленнее в два раза, поэтому за 4 такта они провернутся только на 360 градусов. Про фазу впуска, такт сжатия, рабочий ход, такт выпуска.
Длительность фаз остается неизменной – они задаются профилем кулачков распределительных валов. Вот только поменяв момент начала открытия/закрытия клапанов, удается перенастроить двигатель под определенные условия работы.
Приобрести нужные запчасти на ваш автомобиль вы можете в нашем каталоге.
Детально разбирать принцип работы системы смены фаз мы будем на примере мотора, у которого есть фазокрутилки на обоих распределительных валах. А описывая функционал системы, давайте договоримся представлять силовой агрегат, у которого всего один цилиндр и по одному впускному и выпускному клапану. Так будет максимально наглядно и понятно. Но все описанное одинаково подходит для всех современных бензиновых моторов.
Как работает эта система на холостых?
На холостом ходу клапана перекрывает минимально, а цилиндр заполнен свежим воздухом, что позволяет очистить его от отработавших газов. Чтобы добиться максимальной экономии, рассматриваемая сегодня система, может задать максимально позднее открытие и закрытие впускного клапана. Благодаря этому такт сжатия становится минимальным, а рабочая смесь подается во впускной коллектор.
По сути, это уменьшает такт сжатия, да и реальная степень сжатия снижается относительно геометрической. Звучит сложно? Говоря простым языком – эти манипуляции снижают рабочий объем цилиндра. А вот выпускной клапан, наоборот, открывается раньше обычного, до того, как поршень дойдет до НМТ на рабочем такте. Благодаря этому у отработавших газов будет больше времени выйти из цилиндра.
Еще стоит знать, что, изменяя момент открытия/закрытия, система смены фаз позволяет задать куда более короткий такт сжатия, попутно удлинив рабочий ход. Это все сказывается в положительную сторону на КПД двигателя и экономии.
Как работает эта система при средней нагрузке?
При движении с постоянной скоростью мотору требуется набрать достаточно мощности, только так можно добиться экономии бензина. Но еще стоит помнить про экологичность. Совместить эти два фактора кажется нереальным? А вот и нет, это вполне реально.
Решение очень элегантное: потребуется создать условия, где в цилиндры будет идти меньше воздуха и бензина. Также нужно максимально снизить внутренние потери при рабочих процессах.
Добиться этого удалось путем введения внутренней рециркуляции. Фазокрутилки устанавливают впускной клапан на самое раннее открытие, а вот выпускное – на максимально позднее. Благодаря чему, на такте выпуска перед ВМТ впускной клапан – открывается, одновременно с ним еще не успевает закрыться выпускной. Таким образом можно добиться максимального перекрытия клапанов и отработавшие газы могут быстро перейти во впуск.
А вот во время всасывания в цилиндр входит как свежая топливовоздушная смесь, так и отработавшие газы, кроме этого может засосать и не прогоревшее до конца топливо. И что самое главное, мотор отлично функционирует на получившейся смеси! У такого решения есть несколько положительных факторов: уменьшаются насосные потери, поскольку разрешение во впуске на порядок меньше, так что газы лучше идут через впускной клапан.
А при максимальном перекрытии клапанов, длительность такта сжатия и рабочего хода – возрастают. Это и помогает улучшить эффективность силового агрегата.
Как работает эта система при полностью открытой заслонке?
Условно, работу мотора можно разделить на два этапа. На первом – когда педаль газа утоплена в пол, а мотор начинает разгоняться до максимальных оборотов. Данный режим даже имеет специальное название: «режим максимального крутящего момента».
При возрастании скорости работы мотора, момент открытия становится более поздним. Опять же, перекрытие все еще минимальное, такт сжатия также уменьшается. А на позднем закрытии клапана на большой скорости работы мотора, цилиндр быстрее наполняется свежим зарядом. Проще говоря, забирает больший объем воздуха, который участвует в создании топливовоздушной смеси. Конечно, такт сжатия стал меньше, крутящий момент также понизился, вот только мотор все еще увеличивает скорость работы, а от этого увеличивается его КПД.
Система изменения фаз газораспределения на дизельных моторах
Дизелям вряд ли нужна система, отвечающая за смену момента открытия клапанов.
В первую очередь, ДВС с воспламенением от сжатия не требуют поддержания стехиометрического состава топливовоздушной смеси. Вся фишка в том, что они хорошо функционируют на максимально обедненном составе, где превалирует содержания воздуха, так что им не требуются дополнительные меры, которые позволят увеличить количество подаваемого в цилиндры воздуха.
Кроме этого у дизелей нет нужды в дросселировании, так что разряжение во впускном коллекторе снижено до минимума и нет проблем с отложенным впуском.
Старые атмосферники были не очень быстрыми, отсюда и росли ноги проблем с заполнением цилиндров новым воздухом.
У современного поколения двигателей с воспламенением от сжатия есть турбонаддувы, а значит больше не нужны дополнительные манипуляции для улучшения работы клапанного механизма.
И да, благодаря высочайшей степени сжатия в дизелях возможно добиться открытия впускного клапана и позднего закрытия выпускного. А вот о перекрытии речи и быть не может.
Но стоит признать, что все же существуют турбодизельные моторы у которых есть возможность смены фаз. Например, компания Мицубиши выпускает такие моторы уже более 10 лет. Например, это ДВС 4N1, которые ставят на кроссоверы компании, идущие на рынки Центральной Европы. Да, у нас подобные моторы – редкость, но узнать подобный турбодизель легко по специальной маркировке DiD MIVEC.
Существуют фазорегуляторы и на двигателях VAG 1.6 TDI и 2.0 TDI, правда они идут под Евро-6. Отличительная черта данных моторов в поперечном расположении клапанов, благодаря чему всего один фазовращатель на распределительном валу отвечает за открытие одного впускного и выпускного клапана во всех цилиндрах.
Вот только смена фаз на этих моторах была введена, по большей части, для того, чтобы следовать строгим экологическим нормам.
Как функционируют муфты данной системы?
Теперь давайте поговорим непосредственно про смену момента открытия клапанов.
Для функционирования всей системы нужно обеспечить свободу распределительных валов относительно вращения и, следовательно, относительно положения коленчатого вала и поршней.
И это стало возможно благодаря гидравлическим муфтам, которые управляются золотниковыми клапанами. Сейчас все производители задействуют муфты с лопастным ротором. Внешняя часть – статор, фиксируется с ремнем ГРМ или цепью. А во внутренней части расположен ротор, который стыкуется с распределительным валом. Лопасти ротора разделяют внутреннее пространство на 3-5 полостей, наполняемых маслом, которое подается не только перед лопастями, но и позади. Благодаря чему ротор может провернуться. Получается, что распределительный вал проворачивается относительно коленчатого, опаздывая, либо опережая коленвал.
За процесс подачи моторного масла отвечает еще один золотник, приводимый соленоидом. В корпус этого клапана также подается масло, попадающее чего центральный канал. И вполне логично, что каналы подачи масла есть до и после лопастей.
Во время перемещения, золотник направляет масло в канал «ранних», либо «поздних» фаз. Соленоид – это катушка индуктивности, которая отвечает за перемещение золотника по сигналу от «мозгов» (ЭБУ).
Муфта впускного распределительного вала задает более широкий поворот относительно коленчатого вала: порядка 25-30 градусов опережения/опаздывания, а вообще система может устанавливать положение распредвала в пределах данного диапазона.
Стандартно, либо при неисправности работы данного системы, муфта фиксируется в режиме холостого хода, в таком случае впускные клапаны будут открываться намного позже BMT.
Муфта же выпускного распределительного вала может задавать опережение на 20 градусов, а система не позволяет выбирать промежуточные положения. В момент старта мотора, муфта обеспечивает нормальное положение, в котором выпускной клапан закроется чуть раньше BMT. Этот режим работает всегда, кроме холостого хода.
Во время перехода на холостые, муфта выпускного распределительного вала переходит на второе положение – когда впускной клапан откроется чуть раньше, чем HMT, а закроется намного раньше, нежели BMT.
С какими проблемами можно столкнуться в работе муфт изменения фаз газораспределения?
В принципе, неисправностей не так много. В муфтах имеется буквально несколько пар трения между статором и ротором. Старое и грязное масло провоцирует износ этих пар, из-за чего и появляется утечка масла. И да, не стоит забывать, что масло в камеры муфт подается не непрерывно: золотник открывается до достижения желаемого угла распределительного вала и закрывается. Так что если закачанное в камеры масло – вытекло, то угол установки распределительного вала становится более поздним. ЭБУ начинает повторно подавать команду на достижение раннего угла. Все это приводит к тому, что вырастает число срабатываний, а значит, внутрь зайдет еще больше загрязненного масла, что приведет к ускоренному износу муфты.
У первых версий моторов, лопасти роторов были его неотъемлемой частью. Затем были введены конструкции, где лопасти были сделаны в виде лопатки-шиберы, по аналогии с насосом ГУР, и вставлялись в пазы ротора.
Получалась не самая надежная конструкция: шиберы быстро наклонялись в посадочных пазах, а это приводило к утечкам масла.
В лопастных муфтах есть стопор – миниатюрный штифт, фиксирующий ротор и статор, когда давление масла падает до нуля. Порой стопор просто изнашивается, так что во время запуска – сильно гремит, но противный звук пропадает после того, как он наполнится маслом.
Можно столкнутся с выходом из строя определенных частей системы, к примеру, нередко отказывает датчик положения распределительного вала, либо управляющего клапана, из-за чего система переходит в режим позднего открытия. Это приводит к понижению мощности мотора.
Винтовые муфты старого образца
У первых вариаций моторов можно увидеть винтовые муфты. Ротор скользит относительно статора в продольном направлении на шлицах, словно гайка по резьбе винта. Благодаря этому и происходит поворот распределительного вала относительно коленчатого.
Подобная конструкция используется на двигателях компаний: БМВ, Вольво, Мерседес, Лексус.
У муфты компании Вольво нередки проблемы с герметичностью, что приводит к утечкам масла. А от выработки можно появится люфт между статором и ротором, что также приведет к утечкам.
А вот муфты Мерседес можно только похвалить, правда, ее придется менять в случае, когда изношенная цепь ГРМ обточила ее зубья.
Система смены фаз на двигателях Фольксваген
В конце 90-х и начале 2000-х, на моторах концерна VAG с 5-ю клапанами на цилиндр механизм смены фаз газораспределения представлял собой гидронатяжитель межраспредвальной цепи. Данный натяжитель сменял длину верхней, либо нижней ветви цепи, благодаря чему менялся поворот впускного распределительного вала относительно коленчатого.
Перейдя по ссылке можно проверить наличие на авторазборке конкретных автомобилей, с них также можно приобрести нужные запчасти.
Вернуться к списку новостей
04.12.2021267
что такое система изменения фаз газораспределения?
ИЗМЕНЕНИЕ ФАЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛАПАНОВ — для краткости VVT — имеет долгую и несколько ухабистую историю, когда дело доходит до велосипедов. Самые ранние итерации этой идеи восходят к 1980-м годам, но в 2019 году мы наблюдаем наиболее значительное внедрение этой идеи, когда BMW представила свою настройку ShiftCam на моделях R1200 GS, RT, RS и R. а также совершенно новый супербайк S1000RR.
Почему мы в восторге от системы BMW? В конце концов, GTR1400 от Kawasaki, который уже ушел, имел VVT еще в 2006 году, несколько Ducati имеют аналогичную схему, а Suzuki GSX-R1000 также имеет VVT. Более того, у Honda был свой взгляд на работу с регулируемым клапаном, впервые появившийся как 1983 Система «REV» CBR400, позже преобразованная в «Hyper VTEC».
Причина в том, что система BMW ShiftCam представляет собой нечто большее, чем просто изменение фаз газораспределения.
На самом деле это система переключения кулачков, которая изменяет не только открытие и закрытие клапанов, но и весь профиль кулачка. Это означает, что подъем клапана, продолжительность и перекрытие изменяются.
Давайте сначала разберемся с терминологией. Работа клапанов определяется формой кулачков, которые заставляют клапаны открываться при вращении распределительного вала. Здесь необходимо учитывать четыре ключевых элемента: время, продолжительность, перекрытие и подъем.
Синхронизация — это именно то, на что это похоже, определяющая, когда клапан открыт. Продолжительность — это время, в течение которого клапан остается открытым. Перекрытие описывает период, когда выпускной и впускной клапаны открыты одновременно. Наконец, подъем описывает, насколько далеко открывается клапан; большая подъемная сила означает больший поток воздуха.
Статьи по теме
Ранние дни
До сих пор в мотоциклах использовались три различных типа регулируемых клапанов.
Первой была установка Honda REV (вверху) еще в 19 году.83. В отличие от настоящей системы изменения фаз газораспределения, REV предполагала преобразование двигателя с четырьмя клапанами на цилиндр в двигатель с двумя клапанами на цилиндр на низких оборотах. В системе REV каждый клапан приводился в действие с помощью толкателя, который находился сверху штока клапана и ниже распределительного вала, но кулачки кулачка воздействовали непосредственно только на половину из них — один выпускной и один впускной для каждого цилиндра. На высоких оборотах давление масла заставляло металлический штифт соединять активный толкатель с его неактивным соседом, приводя в действие все клапаны.
Позже система Hyper VTEC от Honda, которая использовалась в VFR800, исключила из конструкции толкатели пальцев, ковш и систему прокладок, чтобы кулачки кулачков воздействовали непосредственно на клапаны. Тем не менее, он по-прежнему использовал давление масла, чтобы вставить металлические штифты на место на высоких оборотах, чтобы открыть половину клапанов в двигателе.
Системы Honda принципиально не похожи ни на какие другие системы с регулируемыми клапанами. Они не изменяют подъемную силу, продолжительность, перекрытие или синхронизацию, а просто вдвое уменьшают площадь клапана двигателя на низких оборотах. Это изменяет поведение двигателя, повышая крутящий момент на низких оборотах, но не обладает таким же изяществом, как технология действительно регулируемого клапана.
Системы фаз газораспределения
Самый распространенный тип изменения фаз газораспределения в автомобилях, где эта технология существует уже несколько десятилетий, также используется Ducati и Kawasaki GTR1400. Это также тип, который используется — несколько по-другому — в последней модели Suzuki GSX-R1000.
Эти настройки, называемые «фазировкой кулачков», добавляют дополнительный компонент между распределительным валом и его звездочкой. Этот компонент, фазовращатель кулачка, может изменить положение вращения распределительного вала относительно этой звездочки, возможно, на целых 30 °.
Эти фазовращатели обычно работают за счет давления масла, а электронное управление отводит масло в камеры внутри них, чтобы вращать распределительный вал относительно звездочки.
Эти фазовращатели помогают, потому что невозможно добиться идеальной синхронизации фаз газораспределения во всем диапазоне оборотов двигателя.
На высоких оборотах требуется большое перекрытие клапанов. Впускные клапаны должны открываться рано, пока двигатель еще находится в такте выпуска, чтобы дать достаточно времени для эффективного заполнения цилиндров. А выпускные клапаны должны оставаться открытыми поздно, после начала такта впуска, чтобы дать отработавшим газам достаточно времени для выхода из цилиндра.
Но на низких оборотах — когда все клапаны остаются открытыми дольше просто потому, что двигатель работает медленнее — такое большое перекрытие дает несгоревшей топливно-воздушной смеси время выйти через все еще открытые выпускные клапаны, что ужасно сказывается на экономичности. и выбросы.
Фазировка кулачка означает, что вы можете изменить перекрытие в зависимости от оборотов. В самых простых системах только впускной кулачок имеет фазер, и он просто переключается между двумя вариантами синхронизации в фиксированной точке диапазона оборотов. Более сложные версии могут синхронизировать как впускной, так и выпускной распределительные валы и работать постепенно в диапазоне оборотов, чтобы медленно увеличивать перекрытие по мере увеличения оборотов.
В настоящее время мотоциклы, как правило, используют простые системы.
Настройка Suzuki немного отличается. Хотя у GSX-R есть кулачковый фазовращатель, он не управляется давлением масла или электронным управлением. Вместо этого он использует центробежную силу для механического смещения распределительного вала относительно звездочки — система, разработанная фирмой для MotoGP, чтобы обойти правила, запрещающие электронные или масляные системы изменения фаз газораспределения.
Почему ShiftCam лучше?
Хотя фазировка кулачков помогает, она только изменяет фазы газораспределения и перекрытие.
Два других ключевых компонента — длительность клапана и подъем — остаются неизменными во всем диапазоне оборотов.
Новая система ShiftCam от BMW изменяет их оба, а также синхронизацию кулачка, что дает огромное преимущество по сравнению с более простыми настройками.
Это умная система и удивительно простая концепция. Устанавливается только на впускной распредвал (по крайней мере, на данный момент — нетрудно было бы использовать его и на выпуске, хотя преимущества были бы не столь значительны), это по сути два распредвала в одном.
Для каждого впускного клапана имеется два набора кулачков. Один набор является «мягким» — с низким подъемом, короткой продолжительностью и небольшим перекрытием, рассчитанным на относительно позднее открытие, обеспечивающим большой крутящий момент на низких оборотах, хорошую экономичность и выбросы. Другой набор лепестков является «диким» — высокая подъемная сила, большая продолжительность и много перекрытий, с опережающим синхронизацией, чтобы хорошо работать на высоких оборотах.
Лепестки расположены рядом друг с другом, поэтому, сдвигая весь распределительный вал на несколько миллиметров — во время двух тактов двигателя, когда клапаны закрыты, а лепестки не задействованы — вы можете переключаться с одного набора на другой. .
На рядной четверке S1000RR система немного сложнее. Поскольку по крайней мере один набор впускных клапанов всегда открывается или закрывается, BMW разделила впускной распределительный вал на две половины, каждая из которых имеет дело с двумя цилиндрами, которые могут перемещаться независимо друг от друга на долю секунды, когда наступает момент, когда они не заняты открытием набора клапанов.
Хотя в некоторых системах VVT с фазировкой фаз газораспределения отсутствует элемент с плавной регулировкой, преимущество возможности изменения подъема клапана и продолжительности перевешивает это. Теоретически к ShiftCam всегда можно добавить фазер кулачка, что дает дополнительные возможности регулировки для будущих двигателей.
Некоторые автомобильные двигатели, такие как Toyota VTL-i и Porsche Variocam Plus, уже сочетают в себе фазировку кулачка с переменной подъемной силой и продолжительностью, хотя и с совершенно другими системами, чем ShiftCam от BMW.
Будущее – бескулачковые двигатели
В течение многих лет – даже десятилетий – инженеры боролись за совершенный четырехтактный двигатель, в котором полностью отсутствовали бы распределительные валы и полагались бы на пневматические, гидравлические или электрические клапаны, которые можно было бы открывать и закрывается по команде компьютера, а не кулачка механического кулачка.
Хотя такие системы теоретически идеальны, до сих пор, как правило, не удавалось выйти далеко за пределы стадии прототипа.
На данный момент, пожалуй, наиболее многообещающим является проект Freevalve, дочерней компании суперкаровой компании Koenigsegg, которая разработала несколько бескулачковых двигателей, в том числе один, предназначенный для массового производства китайской автомобильной фирмой Qoros.
Другие, в том числе Lotus, создали работающие прототипы, демонстрирующие эту идею, но заставить системы работать на высоких оборотах, характерных для велосипедных двигателей, будет непростой задачей.
Несмотря на то, что технология все еще имеет потенциал, это гонка со временем, чтобы увидеть, можно ли усовершенствовать бескулачковые двигатели до того, как электромобили (и мотоциклы) начнут обгонять своих конкурентов с двигателями внутреннего сгорания по производительности и популярности.
События фаз газораспределения и порядок их важности
Роликовые подъемники могут работать с более крутыми уклонами кулачков, чем кулачки с плоскими толкателями. Более высокая скорость открытия и закрытия увеличивает воздушный поток и мощность.Если вы помните, в январском номере мы подробно рассмотрели, что делает распределительный вал «правильным» распределительным валом. В этом выпуске мы продолжим обучение. Кэм-класс снова в работе!
Помните, что распределительный вал совершает один полный оборот (360°), а коленчатый вал совершает два оборота (720°) за полный цикл двигателя.
Время распредвала обычно выражается в градусах коленчатого вала относительно положения поршня в цилиндре, что соответствует ВМТ и НМТ. Это означает, что четыре хода поршня, которые происходят при повороте коленчатого вала на 720°, приводят поршень в положение дважды как в ВМТ, так и в НМТ.
Прежде чем мы решим изменить точку открытия или закрытия лепестка либо путем добавления длительности, либо путем продвижения лепестка, поймите, что эффект также пропорционально проявляется на другой стороне лепестка. Как и в большинстве решений по сборке двигателя, должна существовать гармония между всеми параметрами. Если мы изменим одно событие фазы газораспределения, существует вероятность того, что последовательность последствий может заметно повлиять на работу двигателя положительно или отрицательно.
События фаз газораспределения можно настроить несколькими способами. Первый вариант — продолжительность можно добавить или вычесть. Если к лепестку добавляется продолжительность, клапан открывается и закрывается позже.
И наоборот, удаление продолжительности приводит к обратным результатам.
Другим методом является опережение или замедление распределительного вала. Выдвижение кулачка вперед открывает и закрывает клапан раньше, в то время как замедление кулачка приводит к противоположному результату. Добавление длительности и перемещение лепестка в одном или другом направлении сохраняет исходное открытие или закрытие, в то же время применяя добавленную длительность к противоположному наклону лепестка. Выполнение любой из перечисленных возможностей влечет за собой разветвления, которые могут быть полезными или противоречивыми.
Взаимосвязь фаз газораспределения
• Если распределительный вал запаздывает — Лучшее дыхание на высоких оборотах, но нестабильный холостой ход и снижение мощности при низких оборотах
• Если распределительный вал опережает — Более стабильный холостой ход и хорошая мощность на низких оборотах, но плохое дыхание и низкая мощность при высоких оборотах
События синхронизации
События синхронизации клапана происходят в этом порядке важности (ну, это спорно, несколько).
1. Закрытие впускного клапана (ВК)
2. Открытие впускного клапана (IVO)
3. Закрытие выпускного клапана (EVC)
4. Открытие выпускного клапана (EVO) Всегда обращайтесь к процедуре синхронизации OEM, чтобы знать, как должны быть совмещены метки синхронизации. На некоторых двигателях вам нужно посчитать звенья цепи между звездочками, чтобы получить правильное выравнивание.
Впускной клапан
Вы заметите, что события впускного клапана расположены на первых двух позициях по важности. События впуска, как правило, менее терпимы к изменениям, чем события выхлопа. Даже небольшие изменения в конструкции двигателя могут иметь серьезные последствия. Существуют серьезные споры о том, какое событие (IVO или IVC) является фундаментальным аспектом производства электроэнергии. Для целей этой статьи мы будем использовать IVC как наиболее важный.
Продолжительность конструкции впускного патрубка имеет решающее значение для увеличения мощности.
Увеличенная продолжительность позволяет большему количеству воздуха заполнить цилиндр, что крайне важно при высоких оборотах. Чтобы использовать дополнительную продолжительность, также необходимо увеличить число оборотов в минуту. Цилиндры содержат одинаковый объем воздуха независимо от оборотов.
Пример: двигатель мощностью 650 лошадиных сил потребляет примерно такое же количество воздуха, как и на холостом ходу. При увеличении оборотов происходит соответствующее уменьшение времени открытия клапана. Клапан открыт на то же количество градусов, но время открытия уменьшается по мере увеличения оборотов. Все двигатели в конечном итоге «выходят из строя», поскольку механическое движение становится слишком быстрым, чтобы поток воздуха мог заполнить цилиндр. Просто увеличивая продолжительность (миллисекунды), добавляется время, помогающее эффективно заполнить цилиндр.
При добавлении длительности точка открытия и закрытия клапана увеличивается. Это улучшает дыхание, поскольку в начале такта всасывания клапан находится на более высоком, более полезном подъеме.
Увеличение продолжительности также увеличивает чувствительность воздушно-топливной смеси к положению поршня. При высоких оборотах инерция воздушного заряда продолжает заполнять цилиндр ABDC по мере того, как поршень начинает подниматься в канале ствола.
Воздушный поток впускного клапана
Этот показатель основан на времени в миллисекундах и имеет решающее значение для производства энергии. Давайте посмотрим, как воздух на самом деле проходит через безнаддувный двигатель и почему правильный распределительный вал может помочь в заполнении цилиндров для выбранного диапазона оборотов. Угол шатунной шейки имеет решающее значение, поскольку воздух, поступающий в цилиндр, не достигает максимальной скорости до тех пор, пока шатунная шейка не приблизится к 45° после верхней мертвой точки (ВМТ).
Таким образом, большая часть потока воздуха в цилиндр должна происходить где-то между 45° и 135° ATDC.
Чтобы рассчитать продолжительность любого события синхронизации впускного клапана, добавьте 180° ко времени открытия и закрытия впускного клапана. Например, если впускной клапан открывается за 12° до верхней мертвой точки (ВМТ) и закрывается за 40° после нижней мертвой точки (ABDC), продолжительность события синхронизации клапана составляет 232°. Время выхлопа следует аналогичному расчету.
Столб воздуха, содержащийся во впускном отверстии и направляющей коллектора, обладает инерцией, что означает, что он имеет тенденцию оставаться в покое или оставаться в движении. Столб воздуха, содержащийся во впускном отверстии, также должен постоянно ускоряться и замедляться по отношению к открытию и закрытию впускного клапана.
По мере увеличения скорости поршня у цилиндра остается меньше времени для полного заполнения до того, как поршень достигнет НМТ, что ограничивает число оборотов и надлежащее дыхание двигателя.
Небольшое открытие впускного клапана до того, как поршень достигнет ВМТ, может повысить объемный КПД на высоких скоростях. Быстрое движение поршня создает как более быстрое перемещение воздушного заряда, так и перепад давления в цилиндре. Тем не менее быстрое движение поршня превосходит скорость воздушного заряда. При более высоких оборотах первоначальный впускной заряд отстает до набора скорости после открытия клапана. После перемещения заряд набирает скорость и продолжает быстро двигаться. Удерживая клапан открытым дольше, ABDC использует инерцию быстро движущегося заряда, чтобы компенсировать медленное начальное заполнение. Помните, что если движение воздушного потока достаточно быстрое, мы можем наполнить цилиндр большим количеством воздуха по инерции, чем поршень мог бы «втянуть» сам по себе.
Инерционный наддув
Наддув используется для облегчения наполнения цилиндров при более высоких оборотах. Закрытие клапана позже, намного позже нижней мертвой точки (ABDC), позволяет использовать преимущества воздушного потока с высокой скоростью, обеспечивая последний глоток воздуха, когда он проходит мимо закрывающегося впускного клапана.
Чем выше число оборотов в минуту, тем позже должно произойти закрытие впускного клапана, чтобы обеспечить надлежащий заряд цилиндра в такте сжатия. Гоночные двигатели с высокими оборотами очень выигрывают от продолжения потока воздуха (инерционная зарядка) в цилиндр, когда впускной клапан закрывается, а поршень начинает двигаться вверх на такте сжатия. Это происходит из-за того, что скорость поршня увеличивает скорость воздушного потока (волны давления), которому нелегко воспрепятствовать во время движения
За счет максимизации кинетической энергии потока воздуха в цилиндры с эффектом инерционного наддува объемный КПД улучшается вместе с мощностью двигателя. Подобно принудительной индукции, инерционная зарядка на сбалансированном двигателе может увеличить VE более чем на 100%. В то время как использование высоких оборотов выигрывает от инерционной наддувки, работа в диапазоне низких и средних оборотов может снижаться, поскольку давление в цилиндре возвращается во впускной коллектор.
Динамическое сжатие (DCR)
Динамическое сжатие представляет собой математическое уравнение, полученное из измеренных или рассчитанных значений, которые представляют собой фактические размеры двигателя, включая ход поршня, длину шатуна и закрытие впускного клапана. Динамическая степень сжатия рассчитывается путем сравнения положения поршня в канале с закрытием впускного клапана. Это отличается от статической степени сжатия (SCR), которая показана с поршнем в НМТ.
Динамическое сжатие всегда ниже статического сжатия. Фактическое динамическое сжатие никогда не меняется, несмотря на влияние числа оборотов на давление в цилиндре. Динамическую степень сжатия не следует путать с давлением в цилиндре. Давление в цилиндрах изменяется почти непрерывно из-за многих факторов, включая число оборотов в минуту, конструкцию впускного коллектора, объем и эффективность отверстия головки, перекрытие, конструкцию выхлопа, фазы газораспределения, положение дроссельной заслонки и ряд других факторов.
Следовательно, если не используется переменная синхронизация фаз газораспределения, как и статическая степень сжатия, DCR фиксируется при сборке двигателя и никогда не изменяется во время работы двигателя.
Закрытие впускного клапана (IVC)
Многие считают, что IVC является наиболее важным событием синхронизации, влияющим как на производительность (максимальный крутящий момент), так и на экономичность. IVC является основным компонентом объемной эффективности. Количество заряда воздуха/топлива в основном контролируется IVC. Закрытие впускного клапана регулирует как эффективную степень сжатия, так и диапазон оборотов, ограничивая воздушно-топливную смесь, поступающую в цилиндр.
Максимальный крутящий момент создается, когда цилиндр имеет наибольшую массу свежего воздуха/топлива, которая может быть захвачена. Использование волн давления, возникающих во впускной системе, обычно способствует наполнению цилиндров даже после достижения НМТ. Оптимальное время IVC зависит от оборотов двигателя.
По мере увеличения числа оборотов в минуту синхронизация IVC еще больше отклоняется от НМТ, чтобы получить наилучший результат от волн давления.
Обычно IVC находится в диапазоне 50° – 60° ABDC, что является уступкой между высокими и низкими требованиями к скорости вращения. Раннее или позднее закрытие впускного клапана в течение заданного идеального периода времени приведет к соответствующему падению заряда воздуха, оставшегося в цилиндре. Раннее закрытие впускного клапана снижает количество воздуха, поступающего в цилиндр. Если клапан закрывается с опозданием, заряд воздуха будет поступать обратно во впускной коллектор. Любое из этих событий, не соответствующее идеальному периоду времени, приведет к соответствующему попаданию топливовоздушной смеси в цилиндр.
Настройка IVC для двигателя, предназначенного для работы в диапазоне средних и низких оборотов, полезно раннее закрытие впускного клапана. Раннее закрытие захватывает и сжимает как можно больше воздуха, увеличивая давление в цилиндре.
Кроме того, низкие обороты снижают преимущество инерции, поскольку воздушный поток соответствует более медленной скорости поршня, что позволяет циклу индукции использовать раннее закрытие клапана.
Однако заполнение баллона более чем на 100 % маловероятно из-за медленно движущегося воздуха. Ранний IVC продвигает следующее; низкий крутящий момент, отзывчивость дроссельной заслонки, снижение выбросов, повышенная экономия топлива и расширение кривой мощности.
Предупреждение: раннее закрытие НПВ в сочетании с высокой компрессией (10,0:1 и выше) увеличивает насосные потери и может привести к возможному выходу из строя прокладки головки или поршня. При более высоких оборотах раннее закрытие (около 50° ABDC) уменьшает заряд цилиндра, тем самым снижая мощность.
Для настройки более высоких оборотов выберите позднее закрытие впускного клапана с помощью инерционного наддува. Закрытие клапана позже дает преимущества при потоке воздуха на высоких оборотах, позволяя сделать последний глоток воздуха; но ограничивает мощность на низких оборотах, поскольку давление в цилиндре возвращается во впускной коллектор, а динамическое давление в цилиндре ниже.
Чем выше число оборотов, тем позже должно произойти закрытие впускного клапана, чтобы обеспечить надлежащий заряд цилиндра. Однако, если слишком поздно, это может привести к реверсии. Это разбавляет заряд выхлопными газами. Закрытие клапана после приблизительно 75° НМТ может уменьшить большую часть крутящего момента двигателя на низких оборотах. На двигателях с низкой степенью сжатия (ниже 8,5:1) позднее закрытие может помешать вашему двигателю достичь максимальной мощности, так что имейте в виду.
Открытие впускного клапана (IVO)
IVO имеет решающее значение для полного цикла впуска и является вторым по важности событием по времени. IVO имеет решающее значение для установления перекрытия клапанов (второй параметр) и обычно является основным фактором для определения сроков сборки двигателя.
Высокопроизводительные двигатели выигрывают от смещения как центральной линии впускных лепестков, так и открытия клапана. Эта комбинация приводит к тому, что клапан поднимается дальше от седла в более выгодное положение по отношению к положению поршня.
Более раннее открытие IVO также увеличивает перекрытие клапана. Сочетание этих двух событий увеличивает поток воздуха на ранних стадиях индукционного цикла. Как и во всех решениях, связанных с распределительным валом, преимущества раннего IVO могут создавать проблемы во всем диапазоне оборотов. Помните, что больше — не всегда лучше.
IVO необходим для отклика дроссельной заслонки на низких оборотах, качества холостого хода (вакуума), выбросов и экономии топлива. IVO достигает этого, устанавливая перекрытие клапанов и выполняя две важные задачи.
Подъем клапана и продолжительность зависят не только от размера и формы кулачков, но также от коэффициента подъема коромысла, зазора клапана и гибкости толкателя. Продолжительность можно добавить или вычесть. Если к лепестку добавляется продолжительность, клапан открывается и закрывается позже. И наоборот, удаление продолжительности приводит к обратным результатам. Событие 1: Впускной клапан начинает подниматься со своего седла, что запускает Событие 2 , Цикл очистки.
Открытие впускного клапана в идеале должно соответствовать скорости поршня. Реальность доказывает, что максимальная скорость поршня достигается до того, как полностью откроется клапан, ограничивающий максимальное всасывание воздуха/топлива в цилиндр. Типичный IVO составляет около 0-10 ° до ВМТ, сохраняя перекрытие клапанов достаточно сбалансированным вокруг ВМТ.
Впускной клапан не достигает максимального открытия примерно до 105°–115° ВМТ (осевая линия), тогда как максимальное заполнение воздухом/топливом происходит между 70°–80° ВМТ. Как добиться идеального заполнения в такой ситуации?
Можно использовать два метода. Во-первых, больший подъем клапана может привести к нежелательным последствиям. Для распределительных валов с большим подъемом требуются жесткие пружины в сочетании с острым выступом кулачка, что может значительно сократить срок службы (распредвал без роликов).
Другой вариант — увеличенная скорость подъема. Высокая скорость подъема выводит клапан из положения, препятствующего потоку, что соответствует высокоскоростному движению заряда.
Высокие обороты требуют дополнительной заправки воздухом. Это требует, чтобы IVO был раньше, что дает больше времени для заполнения цилиндра. Более раннее открытие, как обсуждалось ранее, позволяет очистить цилиндр, чтобы помочь заполнить цилиндр и вытолкнуть оставшиеся выхлопные газы. Расход топлива может увеличиться, так как часть заряда может пройти через цилиндр и выйти прямо через открытый выпускной клапан.
Ранний IVO увеличивает перекрытие клапана и позволяет клапану открываться дальше, когда поршень достигает максимальной скорости, увеличивая VE. Применение, зависящее от раннего открытия, также может привести к вялости двигателя, поскольку выхлопные газы разбавляют всасываемый заряд (EGR). Это снижает максимальную мощность, поскольку выхлопные газы занимают пространство цилиндра, что уменьшает количество свежего воздуха для сгорания.
Если IVO выходит позже, перекрытие уменьшается, улучшая качество холостого хода и крутящий момент на низких оборотах, а также достаточный вакуум в двигателе.
Более позднее открытие впускного клапана уменьшает количество всасываемого заряда, вызывая падение давления в цилиндре по мере того, как поршень опускается из ВМТ.
Настройка IVO
Для выполнения этой функции можно использовать два метода. Добавление длительности или продвижение кулачка. Добавление продолжительности расширяет диапазон оборотов и открывает клапан раньше. Диапазон оборотов изменяется по мере того, как клапан дольше удерживается открытым и закрывается позже ABDC. Регулировка синхронизации кулачка создает изменения как на стороне открытия, так и на стороне закрытия. Поэтому, если клапан открыть раньше, он и закроется раньше, немного снизив обороты.
Продвижение лепестка можно использовать, когда ограничение числа оборотов сборки не позволяет добавлять любое дальнейшее увеличение продолжительности. Когда кулачок выдвигается вперед, клапан не только поднимается дальше от своего седла в начале цикла впуска, но также помогает приблизить центр лепестка, чтобы соответствовать максимальному натяжению поршня.