Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно н.м.т. на угол φо.в.=30ч-75° (рис. 20) и закрывается после в.м.т. с запаздыванием на угол φз.в., когда поршень движется в такте наполнения в направлении к н.м.т. Начало открытия и закрытие впускного клапана также сдвинуты относительно мертвых точек: открытие начинается до в.м.т. с опережением на угол φ0.вп, а закрытие происходит после н.м.т. с запаздыванием на угол φз.вп. в начале такта сжатия. Большая часть процессов выпуска и наполнения протекает раздельно, но около в.м.т. впускной и выпускной клапаны открыты некоторое время одновременно. Продолжительность перекрытия клапанов, равная сумме углов φз.в + φо.вп, невелика у поршневых двигателей (рис. 20, а), а у комбинированных может быть значительной (рис. 20, б). Общая продолжительность газообмена составляет φо.в+ 360о+φз.вп=400-520о; у высокооборотных двигателей она больше.
В двухтактном двигателе процессы газообмена происходят при перемещении поршня вблизи н.м.т. и занимают часть хода поршня в тактах расширения и сжатия.
В двигателях с петлевой схемой газообмена и впускные, и выяускные окна открываются поршнем, поэтому фазы газораспределения и диаграммы площади поперечного сечения окон симметричны относительно н.м.т. (рис. 24, а). Во всех двигателях с прямоточными схемами газообмена (рис. 24, б) фазы открытия выпускных окон (или клапанов) выполняют несимметричными относительно н.м.т., достигая тем самым лучшего наполнения цилиндра. Обычно впускные окна и выпускные окна (или клапаны) закрываются одновременно или с небольшой разницей по углу. Осуществить несимметричные фазы возможно и в двигателе с петлевой схемой газообмена,
если установить (на впуске или выпуске) дополнительные устройства — золотники или клапаны. Из-за недостаточной надежности подобных устройств в настоящее время их не применяют.
Общая продолжительность процессов газообмена в двухтактных двигателях соответствует 120—150° угла поворота коленчатого вала, что в 3—3,5 раза меньше, чем в четырехтактных. Угол открытия выпускных окон (или клапанов) φо.в.= 50-90° до н.м.т., а угол предварения их открытия φпр= 10-150. В высокооборотных двигателях с выпуском через клапаны эти углы больше, а в двигателях с выпуском через окна — меньше.
В двухтактных двигателях процессы выпуска и наполнения происходят в большей части совместно — при одновременно открытых впускных (продувочных) и выпускных окнах (или выпускных клапанах). Поэтому воздух (или горючая смесь) поступает в цилиндр, как правило, при условии, что давление перед впускными окнами больше давления за выпускными окнами (клапанами) .
Литература:
Наливайко В.С., Ступаченко А.Н. Сыпко С.А. Методические указания к проведению лабораторных работ по курсу «Судовые ДВС», Николаев, НКИ, 1987, 41с.
Судовые двигатели внутреннего сгорания. Учебник/ Ю.Я. Фомин, А.И. Горбань, В.В. Добровольский, А.И. Лукин и др.-Л.:Судостроение, 1989 – 344 с.:ил.
Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей: Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова –М.: Машиностроение,1983ю – 372стр.
Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1977.-392с.
studfiles.net
Качество работы двигателя — его коэффициент полезного действия, крутящий момент, экономичность и мощность зависят от разных факторов, в их перечень входит и фазы газораспределения, то есть своевременность закрытия и открытия выпускных и впускных клапанов. В стандартном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапан всегда приводятся в действие кулачком распредвала. Профиль кулачка определяет продолжительность и момент открытия (то есть ширину фазы), а также величину хода клапана.
В большинстве двигателей в современном мире фазы меняться не могут. Работа же таких моторов не отличается эффективностью. Дело в том, что поведение газов (выхлопа и горючей смеси) в цилиндре, а также в выпускном и впускном трактах в зависимости от режимов работы мотора, постоянно меняется. Постоянно возникают разного рода колебания упругой газовой среды, изменяется скорость течения, все это приводит к паразитным застойным явлениям или, наоборот полезным резонансным. Из-за этого эффективность и скорость наполнения цилиндров в различные режимы работы мотора неодинаковы.
В двигателях внутреннего сгорания, фазы газораспределения — это моменты закрытия и открытия выпускных и впускных окон (клапанов). Фазы газораспределения обычно выражают в градусах поворота коленвала и отмечают по отношению к конечным или начальным моментам соответствующих тактов.
Так, к примеру, для работы двигателя на холостом ходу уместны короткие фазы газораспределения с ранним закрытием и поздним открытием клапанов без перекрытия фаз (того времени, когда выпускной и впускной клапаны открыты вместе). От чего так происходит? Потому как, так удаётся исключить заброс во впускной коллектор выхлопных газов и выброс в выхлопную трубу части горючей смеси.
Тюнеры довольно часто мудрят со сдвиганием фаз при помощи сборных звёздочек. Поменяв штатный распределительный вал, на вал более высокого уровня — «спортивный», с другими фазами, можно добиться неплохой прибавки мощности.
Когда мотор работает на максимальной мощности ситуация в корне меняется. С увеличением оборотов время открытия клапанов естественно сокращается, но для обеспечения мощности и высокого крутящего момента через цилиндры надо прогнать большой объём газов, в сравнение с объемом на холостом ходу. Как решить такую сложную задачу? Увеличивать продолжительность открытия клапанов и открывать их чуть раньше, иными словами, сделать максимально широкими фазы. При этом чтобы цилиндры лучше продувались, фазу перекрытия обычно делают немного шире.
Так что при доводке двигателей или их разработке конструкторам приходится идти на сложные компромиссы и увязывать ряд взаимоисключающих требований. Сами судите. С одинаковыми фиксированными фазами мотор должен обладать хорошей тягой на средних и низких оборотах, и к тому же приемлемой мощностью — на высоких. В добавок к этому у него должна быть устойчивая работа на холостом ходу, он должен быть максимально экологичным и экономичным. Задача?!
А что если научить механизм газораспределения подстраиваться под разные режимы работы двигателя? Легко. Для этого придумано масса способов. Один из которых — применение фазовращателя — специальной муфты, способной под действием гидравлики и управляющей электроники поворачивать распредвал на некоторый угол относительно его начального положения. Наиболее часто такую систему устанавливают на впуске. Муфта проворачивает вал по ходу вращения с повышением оборотов, что влечет за собой раннее открытие впускных клапанов и в итоге — лучшую наполняемость цилиндров на высоких оборотах.
Чем вредна заслонка?
Заслонка ухудшает наполнение цилиндров на средних и низких оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно может привести? К большой инертности разреженной топливовоздушной смеси (газовой среды), снижению отдачи, ухудшению наполнения цилиндра свежим зарядом и уменьшению скорости отклика на нажатие педали акселератора.
Поэтому идеальным было бы открытие впускного клапан только на время, нужное для достижения необходимого наполнения цилиндра горючей жидкостью. Как говорят инженеры, нас спасет только механическая система управления впускных клапанов. В подобных системах продолжительность фазы впуска и, соответственно, высота подъёма изменяются в зависимости от степени нажатия на педаль газа. По различным данным, экономия от применения подобной системы управления может составлять от 10% до 17%, прирост момента и мощности в пределах 5—14%. Но и это не показатель, есть еще куда стремиться.
Несмотря на то, что размеры и количество клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность очищения и наполнения цилиндров можно сделать ещё лучше. За счёт скорости открывания клапанов. Правда, механический привод тут сдаст позиции электромагнитному.
В чём ещё плюсы электромагнитного привода?
В том, что закон подъёма клапана (ускорение в каждый момент времени) можно довести до идеальных показателей, а продолжительность открытия клапанов можно будет менять в очень широких пределах. Согласно прописанной программе электроника время от времени может не открывать ненужные клапаны, а цилиндры вовсе отключать. Зачем это делать? Естественно в целях экономии, к примеру, при торможении двигателем, при движении в установившемся режиме или движении на холостом ходу. Прямо в режиме работы, электрический ГРМ может превратить обычный четырехтактный двигатель в шеститактный.
В завершение хочется сказать, не возможно увеличивать степень эффективности мотора до бесконечности. Не смотря на изменение фаз газораспределения четырёхтактных двигателей, установку на них улучшенного газораспределительного механизма, и т.д.
Будьте осторожны на дорогах!
portalvaz.ru
Категория:
Устройство и работа двигателя
Основные детали и действие механизма газораспределения четырехтактного двигателяМеханизм газораспределения служит для впуска свежего заряда (горючей смеси или воздуха) в цилиндры двигателя и выпуска отработавших газов в соответствии с протеканием рабочего цикла. В автомобильных карбюраторных четырехтактных двигателях применяется механизм газораспределения клапанного типа с нижним или верхним расположением клапанов.
Рис. 1. Схема расположения деталей механизма газораспределения
Механизм газораспределения двигателя с нижним односторонним расположением клапанов имеет следующие детали (рис. 1, а): впускной и выпускной клапаны с пружинами, деталями их крепления и направляющими втулками; толкатели с направляющими втулками; распределительный вал и распределительные шестерни.
При вращении коленчатого вала приводится во вращение распределительный вал через зубчатую или цепную передачи. При этом кулачок вала поднимает толкатель в направляющей втулке вверх. Толкатель давит на стержень клапана, удерживаемого в закрытом положении пружиной, и поднимает клапан, сжимая его пружину. Головка клапана отходит от своего седла и открывает впускное или выпускное отверстие блока. Когда выступ кулачка отойдет от толкателя, клапан под действием пружины плотно закроет отверстие. Клапанный механизм расположен в боковой камере блока, закрытой крышкой.
При верхнем расположении клапаны с пружинами и деталями их крепления установлены в направляющих втулках в головке блока, в которой также отлиты впускные и выпускные каналы. Клапаны имеют вертикальное или наклонное положение. Усилие от кулачков распределительного вала, расположенного в картере двигателя, к клапанам передается с помощью толкателей, штанг и коромысел. Коромысла шарнирно установлены на оси, закрепленной на головке блока. Клапанный механизм на головке закрыт крышкой.
У V-образных двигателей применяются верхние клапаны с однорядным расположением, привод которых осуществляется от общего распределительного вала через толкатели, штанги и коромысла. Распределительный вал располагается в середине блок-картера у основания цилиндров.
Такую же схему расположения механизма газораспределения имеют четырехтактные V-образные дизели.
Между стержнем клапана и толкателем или концом коромысла в непро-гретом двигателе должен быть зазор, который необходим для возможности удлинения стержня клапана при нагревании без нарушения плотности посадки клапана в седле. 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. Для регулировки величины этого зазора в механизме предусмотрены регулировочные устройства.
Правильность чередования различных тактов в цилиндрах двигателя достигается соответствующим расположением кулачков на распределительном валу, а также правильностью установки зацепления распределительных шестерен.
В четырехтактном двигателе рабочий цикл во всех цилиндрах завершается за два оборота коленчатого вала. За это время в каждом цилиндре должны по одному разу открываться и закрываться впускной и выпускной клапаны, что происходит за каждый оборот респределительного вала. Таким образом, распределительный вал должен вращаться в 2 раза медленнее коленчатого вала. Для этого шестерня распределительного вала имеет вдвое большее число зубьев, чем шестерня коленчатого вала.
Читать далее: Фазы газораспределения четырехтактного карбюраторного двигателя и дизеля
Категория: - Устройство и работа двигателя
stroy-technics.ru
Фазы газораспределения четырёхтактных двигателей
Главной задачей механизма газораспределения является очистка цилиндра во время работы двигателя и обеспечение наивысшей эффективности наполнения. От того, на сколько правильно подобраны фазы газораспределения четырёхтактных двигателей, зависит развиваемый момент, мощность и экономичность мотора.
Качество работы двигателя — его коэффициент полезного действия, крутящий момент, экономичность и мощность зависят от разных факторов, в их перечень входит и фазы газораспределения, то есть своевременность закрытия и открытия выпускных и впускных клапанов. В стандартном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапан всегда приводятся в действие кулачком распредвала. Профиль кулачка определяет продолжительность и момент открытия (то есть ширину фазы), а также величину хода клапана.
В большинстве двигателей в современном мире фазы меняться не могут. Работа же таких моторов не отличается эффективностью. Дело в том, что поведение газов (выхлопа и горючей смеси) в цилиндре, а также в выпускном и впускном трактах в зависимости от режимов работы мотора, постоянно меняется. Постоянно возникают разного рода колебания упругой газовой среды, изменяется скорость течения, все это приводит к паразитным застойным явлениям или, наоборот полезным резонансным. Из-за этого эффективность и скорость наполнения цилиндров в различные режимы работы мотора неодинаковы.
В двигателях внутреннего сгорания, фазы газораспределения — это моменты закрытия и открытия выпускных и впускных окон (клапанов). Фазы газораспределения обычно выражают в градусах поворота коленвала и отмечают по отношению к конечным или начальным моментам соответствующих тактов.
Так, к примеру, для работы двигателя на холостом ходу уместны короткие фазы газораспределения с ранним закрытием и поздним открытием клапанов без перекрытия фаз (того времени, когда выпускной и впускной клапаны открыты вместе). От чего так происходит? Потому как, так удаётся исключить заброс во впускной коллектор выхлопных газов и выброс в выхлопную трубу части горючей смеси.
Тюнеры довольно часто мудрят со сдвиганием фаз при помощи сборных звёздочек. Поменяв штатный распределительный вал, на вал более высокого уровня - «спортивный», с другими фазами, можно добиться неплохой прибавки мощности.
Когда мотор работает на максимальной мощности ситуация в корне меняется. С увеличением оборотов время открытия клапанов естественно сокращается, но для обеспечения мощности и высокого крутящего момента через цилиндры надо прогнать большой объём газов, в сравнение с объемом на холостом ходу. Как решить такую сложную задачу? Увеличивать продолжительность открытия клапанов и открывать их чуть раньше, иными словами, сделать максимально широкими фазы. При этом чтобы цилиндры лучше продувались, фазу перекрытия обычно делают немного шире.
Так что при доводке двигателей или их разработке конструкторам приходится идти на сложные компромиссы и увязывать ряд взаимоисключающих требований. Сами судите. С одинаковыми фиксированными фазами мотор должен обладать хорошей тягой на средних и низких оборотах, и к тому же приемлемой мощностью — на высоких. В добавок к этому у него должна быть устойчивая работа на холостом ходу, он должен быть максимально экологичным и экономичным. Задача?!
Однако конструкторы такие задачи щёлкают как семечки уже давно, они способны при помощи изменения ширины фаз газораспределения и их сдвига менять характеристики мотора до неузнаваемости. Хотите поднять крутящий момент? Пожалуйста. Увеличить мощность? Не проблема. Снизить расход? Тоже сможем. Правда, иногда так получается, что при улучшении нужных показателей приходится ухудшать другие.
А что если научить механизм газораспределения подстраиваться под разные режимы работы двигателя? Легко. Для этого придумано масса способов. Один из которых — применение фазовращателя — специальной муфты, способной под действием гидравлики и управляющей электроники поворачивать распредвал на некоторый угол относительно его начального положения. Наиболее часто такую систему устанавливают на впуске. Муфта проворачивает вал по ходу вращения с повышением оборотов, что влечет за собой раннее открытие впускных клапанов и в итоге — лучшую наполняемость цилиндров на высоких оборотах.
Чем вредна заслонка?
Заслонка ухудшает наполнение цилиндров на средних и низких оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно может привести? К большой инертности разреженной топливовоздушной смеси (газовой среды), снижению отдачи, ухудшению наполнения цилиндра свежим зарядом и уменьшению скорости отклика на нажатие педали акселератора.
Поэтому идеальным было бы открытие впускного клапан только на время, нужное для достижения необходимого наполнения цилиндра горючей жидкостью. Как говорят инженеры, нас спасет только механическая система управления впускных клапанов. В подобных системах продолжительность фазы впуска и, соответственно, высота подъёма изменяются в зависимости от степени нажатия на педаль газа. По различным данным, экономия от применения подобной системы управления может составлять от 10% до 17%, прирост момента и мощности в пределах 5—14%. Но и это не показатель, есть еще куда стремиться.
Несмотря на то, что размеры и количество клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность очищения и наполнения цилиндров можно сделать ещё лучше. За счёт скорости открывания клапанов. Правда, механический привод тут сдаст позиции электромагнитному.
В чём ещё плюсы электромагнитного привода?
В том, что закон подъёма клапана (ускорение в каждый момент времени) можно довести до идеальных показателей, а продолжительность открытия клапанов можно будет менять в очень широких пределах. Согласно прописанной программе электроника время от времени может не открывать ненужные клапаны, а цилиндры вовсе отключать. Зачем это делать? Естественно в целях экономии, к примеру, при торможении двигателем, при движении в установившемся режиме или движении на холостом ходу. Прямо в режиме работы, электрический ГРМ может превратить обычный четырехтактный двигатель в шеститактный.
В завершение хочется сказать, не возможно увеличивать степень эффективности мотора до бесконечности. Не смотря на изменение фаз газораспределения четырёхтактных двигателей, установку на них улучшенного газораспределительного механизма, и т.д.
Будьте осторожны на дорогах!
5-02-2011, 13:45 | Владимир Зинченко
http://www.autoshcool.ru
legkoe-delo.ru
Опережение открытия выпускного клапана 70 — 100° до н. м. т. обеспечивает улучшение очистки цилиндра и способствует созданию разрежения в цилиндре к моменту открытия впускного клапана. Запаздывание закрытия 45 — 55° после в. м. т. улучшает очистку благодаря инерции потока отработанных газов и при достижении поршнем в. м. т.
Продолжительность выпуска составляет 300 — 330° по углу поворота коленчатого вала, а перекрытие клапанов гоночных двигателей — 88 — 105°.
Фазы газораспределения четырехтактных гоночных и спортивных двигателей (по углу поворота коленчатого вала)
| Модель двигателя | Рабочий объем двиг. (см3) | Число цилиндров | Литровая мощность (л. с./л,) | Число оборотов при макс. мощ. (об/мин) | Впуск | Выпуск | Перекрытие (в град.) | ||||
| начало до в. м. т (в град.) | конец после н. м. т. (в град.) | продолжительность (в град.) | начало до н. м. т., (в град.) | конец после в. м. т. (в град.) | продолжительность (в град.) | ||||||
| С157А | 124 | 1 | 130 | 11000 | 48 | 80 | 308 | 80 | 56 | 316 | 104 |
| С159 | 124 | 1 | 175 | 12 800 | 53 | 87 | 320 | 87 | 54 | 321 | 107 |
| С259 | 248 | 2 | 161 | 11 500 | 55 | 78 | 313 | 89 | 44 | 313 | 99 |
| С360 | 347 | 2 | 147 | 10 200 | 55 | 78 | 313 | 89 | 44 | 313 | 99 |
| С-51 | 495 | 2 | 113 | 8 500 | 55 | 85 | 320 | 88 | 45 | 313 | 100 |
| Нортон | 499 | 1 | 104 | 7 200 | 60 | 67,5 | 307,5 | 85 | 45 | 310 | 105 |
| КР-5 | 498 | 1 | 82,5 | 6 500 | 51 | 75 | 306 | 96 | 53 | 329 | 104 |
| БСА-Золотая звезда | 499 | 1 | 76 | 7 000 | 43 | 73 | 296 | 75 | 45 | 300 | 88 |
| ЭСО-500 | 500 | 1 | 80 | 6 500 | 45 | 64 | 289 | 95 | 48 | 323 | 93 |
Опережение открытия выпускного клапана при наличии еще относительно высокого давления в цилиндре заставляет отработанные газы устремляться в выпускную систему с очень высокой скоростью, превышающей скорость звука.
Быстрое удаление продуктов сгорания (чему способствует мегафон) является причиной образования в цилиндре разрежения, которое при оптимально подобранном диаметре и длине выпускной трубы и геометрических размерах мегафона достигает 0,5 кг/см2.
«Пособие механикам мотоциклов»,А.Н.Силкин, Б.С.Карманов
Загрузка... www.carshistory.ru
В цилиндре четырехтактного поршневого двигателя циклическая последовательность энергетических преобразований начинается с реакции горения ТВ-заряда, когда поршень находится в ВМТ. В результате сгорания химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию сильно сжатых газов.
Так в камере сгорания образуется газообразное рабочее тело теплового двигателя. Далее тепловая энергия рабочего тела за счет его интенсивного расширения переходит в механическую работу по перемещению поршня из ВМТ в НМТ. Следующим этапом преобразований является кинематическое превращение линейного перемещения поршня в возвратно-поступательное его движение и получение вращательного движения на выходном валу двигателя. Это преобразование реализуется с помощью кривошипно-шатунного механизма, коленчатого вала и его маховика. При этом сам коленчатый вал и навешенные на него детали (массы) получают значительный импульс движения, за счет которого совершается полезная работа двигателя, а поршень переходит через НМТ и начинает обратное движение к ВМТ.
Эта часть энергетического цикла соответствует рабочему такту двигателя «рабочий ход» и заканчивается в НМТ. С этого момента (от нижней мертвой точки) на полезную нагрузку одноцилиндрового двигателя и на последующие вспомогательные процессы энергетических преобразований начинает работать кинетическая энергия инерционных масс коленчатого вала, ранее разогнанных рабочим ходом поршня. Вслед за процессом «рабочий ход» в любом поршневом двигателе должны быть выполнены два насосных процесса: выпуск отработавших газов и впуск свежего топливовоздушного заряда.
В четырехтактном одноцилиндровом двигателе такты выпуска, впуска и сжатия реализуются инерционным вращением коленвала с массивным маховиком (тремя ходами поршня между НМТ и ВМТ). В многоцилиндровом двигателе поршни поочередно работают на один общий коленвал, и процессы выпуска, впуска и сжатия в цилиндре реализуются не только инерционным вращением коленвала, но и рабочими ходами поршней в других цилиндрах, на выполнение насосных процессов затрачивается часть энергии рабочего хода.
Чем продолжительнее насосные процессы в общей продолжительности рабочего цикла, тем ниже КПД двигателя. Именно поэтому двухтактные двигатели эффективнее четырехтактных, а четырехтактные — эффективнее шеститактных.
После завершения насосных процессов, сразу вслед за впуском, в цилиндре четырехтактного двигателя начинается энергетический процесс сжатия. Этот процесс реализуется четвертым (последним) в данном цикле ходом поршня (вверх).
Рассмотрев последовательность основных процессов энергетического преобразования и сопутствующие им вспомогательные процессы в четырехтактном двигателе, можно перейти к рассмотрению рабочих тактов в четырехтактном цикле.
Четырехтактным циклом называется последовательность из четырех рабочих тактов двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. За начало цикла обычно принимают такт впуска.
Следует предварительно заметить, что хотя по определению рабочий такт включает в себя несколько рабочих процессов, приходящихся на один ход поршня, в четырехтактном двигателе каждому такту присваивается наименование только одного (основного) рабочего процесса. Например, рабочий такт «сжатие» (ход поршня из НМТ в ВМТ после впуска) включает в себя не только само сжатие, но и внутреннее перемешивание ТВ-смеси, формирование ТВ-заряда, воспламенение ТВ-заряда перед его сгоранием, начало формирования газообразного рабочего тела. Но называется данный такт — тактом сжатия.
То же самое можно показать на примерах других тактов. Но главное здесь то, что довольно продолжительная последовательность различных процессов, имеющих место в каждом такте, в целях упрощения «раскладывается» только на четыре рабочих такта. Эти такты: ВПУСК, СЖАТИЕ, РАБОЧИЙ ХОД, ВЫПУСК Таким образом, для четырехтактного двигателя рабочим циклом можно считать не совокупность рабочих процессов, приходящихся на один акт сгорания ТВ-заряда, а последовательность четырех конкретных рабочих тактов.
Рассмотрение четырехтактного цикла удобнее проводить с помощью индикаторной диаграммы, которая отображает изменение давления в цилиндре по ходу поршня за рабочий цикл.
Индикаторная диаграмма состоит из четырех характерных участков:1. Участок (71) — впуск ТВ-смеси под разрежением от всасывания (Р = 0,8 атм). Температура ТВ-смеси в конце впуска Ti = 10О°С. Имеет место вентиляционное охлаждение цилиндра.2. Участок (123) — сжатие. При степени сжатия еа = 10 (для бензинового ДВС) давление в конце сжатия Рс = 15 атм, температура Тс = 500°С.3. Участок (3456) — сгорание ТВ-заряда и расширение (рабочий ход). Воспламенение ТВ-зарядв в точке 2. Окончание процесса сгорания ТВ-заряда в точке 3. Дааление газов Р4 = 40 атм, температура Т4 & 2800°С. К концу расширения (точка 5) давление Р5 = 4 атм, Т5 = 1000°С. В точке 6 давление Р6 = 1,3 атм (остаточное давление газов), Т6 = 800°С.4. Участок (67) — выпуск отработавших газов. Выпускной клапан открывается в точке 5.
Процесс выпуска протекает при даалении, которое превышает атмосферное. К концу выпуска температура падает до Т7 = 700°С, и далее там. Здесь же показаны схемы текущего положения порш-при впуске — до Т± = 100°С. ня в четырехтактном двигателе.Управление клапанами в поршневых двигателях осуществляется от специального вала, который называется распределительным. Распределительный вал механически жестко сочленен с коленчатым валом через цепную, шестеренчатую или зубчатую ременную передачу. В двигателях с четырехтактным рабочим циклом передвточное отношение такой передачи равно один к двум. То есть за два оборота коленчатого вала распределительный вал делает один оборот.
Третьим рабочим тактом поршневого двигателя является такт рабочий ход. Он начинается сразу после того, как поршень 6 начнет перемещаться из верхней мертвой точки снова вниз. Такт «рабочий ход» наиболее важный в работе двигателя. Именно в этом такте происходит главное энергетическое преобразование ДВС — превращение тепловой энергии сгоревшего топливовоздушного заряда в механическую работу.
В бензиновых поршневых ДВС этот такт происходит следующим образом. В зоне, близкой к ВМТ, еще в такте сжатия топливовоздушный заряд принудительно воспламеняется от электрической искры в свече 13 зажигания. Топливовоздушный заряд быстро сгорает, и к началу такта рабочий ход давление в образовавшихся газах достигает максимального значения (точка Z). Газы, образовавшиеся в результате сгорания топливовоздушного заряда, с этого момента выполняют роль сильно разогретого рабочего тела, сжатого в объеме камеры сгорания. Как только поршень за ВМТ начинает перемещаться вниз, рабочее тело, интенсивно расширяясь, высвобождает приобретенную тепловую энергию, которая превращается в механическую работу в виде движения поршня вниз под действием расширения газов.
Последний (четвертый) рабочий такт поршневого двигателя называется тактом выпуска, так как в нем осуществляется эвакуация из объема цилиндра отработавших газов.
Важно понимать, что из всех четырех тактов четырехтактного двигателя только такт «рабочий ход» полезно работает на нагрузку ДВС, так как только в нем коленчатый вал 10 получает от поршня 6 через шатун 7 и кривошип 8 разгонное механическое усилие. Во всех остальных рабочих тактах двигатель не вырабатывает, а потребляет часть механической энергии от коленчатого вала.
Описанные четыре рабочих такта во время работы ДВС чередуются друг за другом и образуют полный четырехтактный рабочий цикл двигателя.
Следует иметь в виду, что строгого соответствия между рабочими тактами (ходами поршня) и тактовыми рабочими процессами в четырехтактных (так же, как и в двухтактных) поршневых двигателях нет. Это объясняется тем, что при работе двигателя фазы клапанного газораспределения и фазовые состояния клапанов накладываются на рабочие ходы поршня в разных конструкциях двигателей по-разному.
Работа многоцилиндровых ДВС происходит по цилиндрам последовательно, в каждом из которых рабочие процессы протекают так же, как и в вышеописанном одноцилиндровом двигателе. Все цилиндры в многоцилиндровом ДВС работают на один коленчатый вал, который воспринимает рабочие усилия от разных цилиндров через заданный числом цилиндров угол поворота.
Чередование срабатываний цилиндров в многоцилиндровых двигателях носит наименование — порядок работы.
Порядок работы ДВС задается конструктивно соответствующим исполнением распределительного и коленчатого валов и не может быть изменен в процессе эксплуатации.
Реализуется порядок работы ДВС чередованием искр зажигания, поступающих на свечи цилиндров от системы зажигания. К примеру, порядок работы четырехцилиндровых двигателей может быть либо 1342, либо 1243
При различных режимах работы двигателя газообмен в его цилиндрах происходит по-разному. На оборотах холостого хода, когда скорость движения газообразных масс в двигателе низкая, отработавшие газы не успевают эвакуироваться из цилиндров и двигатель, «задыхаясь», может остановиться. Чтобы этого не произошло, горючую смесь обогащают, что приводит к дополнительному расходу топлива и повышенному образованию СО в отработавших газах. Оптимальные условия работы двигателя нарушаются. Однако эффект задымления цилиндров на холостом ходу можно свести к минимуму более ранним открытием выпускного клапана в такте «рабочий ход». Тогда часть энергии расширения рабочего тела будет затрачиваться на принудительную и интенсивную эвакуацию отработавших газов. Мо при высоких оборотах двигателя под большой нагрузкой раннее открытие выпускного клапана приводит к значительной потере развиваемой двигателем мощности. Получается так: фазу начала открытия выпускного клапана желательно иметь разной, а жесткий распредвал этого не обеспечивает.
Другой пример. Когда двигатель работает на очень высоких оборотах, скорость движения топливовоздушной смеси на входе цилиндра и выхлопных газов на его выходе тоже очень высокая. Это придает газовым потокам значительную дополнительную энергию движения за счет инерции. Поэтому одновременное открытие впускного и выпускного клапанов (перекрытие клапанов) в цилиндрах в конце выпуска и в начале впуска является крайне желательным явлением.
Фаза перекрытия клапанов в таком случае должна быть расширена по сравнению с режимами работы двигателя в менее скоростных режимах, так как это способствует дополнительной продувке цилиндра под напором быстрых впускных газов и под сильным разрежением быстро вылетающих отработавших газов. Однако подобное расширение фазы перекрытия клапанов в режиме холостого хода недопустимо, т.к. приводит к нарушению процесса внешнего смесеобразования из-за обратного выхлопа части отработавших газов во впускной коллектор. Из этого примера следует, что и фазу перекрытия клапанов жесткий распредвал формирует неоптимально.
Ясно, что каждому виду фазовой диаграммы соответствует определенная форма кулачков на распредвале. Так, для впускного и выпускного клапанов в идеальном двигателе кулачки симметричные, с идеальным профилем; у двигателя ЗИЛ кулачки гармонические, впускной с разворотом в сторону опережения, выпускной — почти симметричный; двигатель оптимальный по холостому ходу имеет тангенциальные кулачки — выпускной кулачок со значительным разворотом в сторону отставания, а впускной — в сторону опережения; у двигателя, работающего в форсированном режиме с расширенной фазой перекрытия клапанов, впускной кулачок гармонический и должен давать опережение по открытию клапана, а выпускной тангенциальный — отставание по закрытию.
Опережение или отставание фазовых состояний клапана определяется и формируется разворотом кулачка против вращения распредвала (отставание) или по направлению (опережение). Важно также заметить, что в реальных двигателях с жестким распредвалом фазы впуска и выпуска почти никогда не бывают симметричными (их середина сдвинута относительно середины рабочего такта — хода поршня от одной мертвой точки к другой).
• Из рассмотрения диаграмм ясно, что жесткая привязка фаз газораспределения к вращению коленчатого вала, даже при их расширении и (или) смещении относительно рабочих тактов двигателя, не является оптимальным способом формирования процессов газораспределения в реальных ДВС. Получается так: изменился режим работы двигателя, надо бы соответственно изменить и фазы газораспределения. Но газораспределительный механизм с жесткими кинематическими связями не позволяет этого сделать. Приходится искать «золотую середину». Компромиссное среднее положение фаз газораспределения относительно нижней и верхней мертвых точек для каждого конкретного двигателя определяется опытным путем на специальном экспериментальном стенде. Найденные таким способом фазы газораспределения называются установочными. До недавнего времени опытный подбор установочных фаз был единственной возможностью подогнать жесткий распредвал под реальные процессы газообмена в ДВС на различных режимах его работы.
При подборе установочных фаз имеют в виду следующие соображения. Фазы, раскрыв угла которых более 180°, могут быть сдвинуты относительно мертвых точек, а также относительно друг друга. Манипулируя шириной фаз впуска и выпуска и их сдвигом, можно подгонять рабочие параметры двигателя под заданные условия эксплуатации. Такая возможность обусловлена тем, что эффективность газообмена в цилиндрах ДВС определяется степенью их наполнения свежим зарядом и степенью их очистки от отработавших газов. А наполнение и очистка цилиндров непосредственно зависят от продолжительности фаз впуска и выпуска, и от фазы их взаимного наложения друг на друга (фаза перекрытия клапанов).Можно детально объяснить, почему так происходит, но здесь ограничимся тем, что укажем на три основных момента:1. В высокоскоростном двигателе наполнение цилиндра свежим зарядом несколько увеличивается (примерно на 10…15%) за счет напора газов со стороны впускного коллектора, если впускной клапан остается открытым на некоторое время после НМТ (50е…80° по углу поворота KB).
2. При раннем открытии выпускного клапана (за 40°…70° до НМТ, в такте «рабочий ход») большая часть отработавших газов (до 60%) эвакуируется из цилиндра достаточно высоким (4…5 атм) давлением газов. (Поршень в такте выпуска вытесняет из цилиндра всего 40…50% отработавших газов.)
3. Одновременное открытие выпускного и впускного клапанов (перекрытие клапанов) в конце такта выпуска (за 20…30° до ВМТ) и в начале такта впуска (20…50° после ВМТ) способствует продувке камеры сгорания, из которой вытесняются остаточные отработавшие газы. Продувка происходит за счет инерционного движения газовых потоков во впускном и выпускном коллекторах.Используя эти три фактора воздействия на эффективность газообмена, можно создавать двигатели с различными рабочими характеристиками. Для двигателей обычного назначения фазы газораспределения устанавливаются таким образом, чтобы они наиболее оптимально соответствовали применяемому на данном двигателе способу смесеобразования и конструкции газопропускных каналов и тем самым обеспечивали устойчивую работу двигателя при всех возможных режимах его работы.
Однако усредненный подбор фаз газораспределения не является единственным способом улучшения характеристик двигателя внутреннего сгорания с жестким распредвалом. Так, современные двигатели теперь стали оборудовать многоклапанным газораспределительным механизмом, в котором на один цилиндр приходится до четырех и даже до пяти клапанов. Клапаны приводятся в действие от двух распределительных валов группами по два или три клапана.
Такая конструкция газораспределительного механизма дает возможность значительно увеличивать суммарную площадь пропускных щелей клапанов во время одновременного их открытия сравнительно небольшим ходом.
Таким образом, многоклапанная система позволяет реализовать более эффективный газообмен в цилиндрах ДВС при высокой степени сжатия и при высоких оборотах без применения искусственного наддува цилиндров свежей порцией воздуха и без значительного расширения фаз. Это существенно повышает выход мощности ДВС с единицы его конструктивного объема. Как следствие, многоклапанные двигатели меньше по весу и габаритам в сравнении с классическими моделями ДВС.
«Audi-A4» с двадцатью клапанами работает без наддува и развивает мощность в 125 л.с. уже при 5800 об/мин. Он имеет плавный ход за счет «длинной полочки» в характеристике крутящего момента (крутящий момент в 165 Нм развивается на 3500 об/мин и в 173 Нм — на 3950 об/мин). Три впускных и два выпускных клапана своим коротким ходом и малой длительностью открытия позволяют приблизить продолжительность и место нахождения фаз газораспределения к их соответствию с рабочими тактами идеального теоретического двигателя. Перекрытие клапанов в такой конструкции минимальное. Это значительно улучшает такие показатели работы ДВС, как бесшумность и плавность хода, динамичность и расход топлива. Вращение коленчатого вала вначале передается зубчатым ремнем на выпускной распределительный вал (в передней части двигателя), а с него — на впускной распределительный вал цепной передачей (сзади двигателя).
В настоящее время многоклапанные системы находят широкое применение на ДВС для современных легковых автомобилей.
Еще одно новшество в современном механизме газораспределения — это гидравлические толкатели. Существуют две разновидности гидравлических толкателей: с подачей масла под давлением от системы смазки и с герметичной масляной подушкой, находящейся под давлением пружины или сжатого газа. Такие толкатели передают усилие от распределительных валов непосредственно на клапаны без промежуточных коромысел, что исключает необходимость регулировки клапанов в процессе эксплуатации ДВС.Но самым перспективным направлением в повышении эффективности работы газораспределительного механизма является гибкое программное управление работой клапанов, что может быть реализовано несколькими способами: поворотом составного распредвала относительно коленчатого вала на соответствующий угол, создавая тем самым опережение или отставание распредвала с одновременным расширением вершин кулачков; изменением профиля кулачка по заданному закону управления: или, например, сделать кулачок вращающимся на распредвалу с жесткой его фиксацией в нужный момент от электронной автоматики.Наиболее активно и плодотворно в направлении внедрения электроники в управление механизмом газораспределения работали японские автомобилестроители. Так, в 1992 году две японские фирмы «Honda» и «Mitsubishi» объявили о своих намерениях выпустить двигатель с автотронной системой управления клапанами. С 1993 года фирма «Honda» действительно освоила серий ный выпуск таких двигателей, на которых получила широкую и выпуклую характеристику для крутящего момента и значительную удельную мощность — 75 кВт/л. Не менее интересны достижения фирмы «Mitsubishi». Эта фирма оснастила автотронной системой «Mivec» двигатель автомобиля «Lanser». Этот двигатель объемом 1600 см3 до модернизации развивал мощность 83 кВт при 6000 об/мин и максимальный крутящий момент 137 Нм. После замены обычной головки блока цилиндров на головку с автотронным управлением клапанами двигатель стал мощнее на 40 кВт, а максимальный крутящий момент достиг значения в 167 Нм.
С этим же двигателем более легкий автомобиль «Mit-Colt» показал расход топлива 3,75 л/100 км при постоянной скорости движения 60 км/ч. Такие показатели получены за счет применения в автотронной системе управления клапанами, в системе впрыска топлива и в системе цифрового зажигания единой гибко интегрированной программы управления, заложенной в память центрального бортового компьютера, тем самым достигнута высокая точность срабатывания всех систем.
В этом механизме два верхних распредвала впускной и выпускной. На каждую пару одноименных клапанов работают не два одинаковых, а два разнопрофильных кулачка: один пологий, другой острый. Толкающие действия клапанам могут сообщаться или от острого, или от пологого кулачка попеременно или от обоих кулачков сразу. Режимы работы кулачков, зависящие от режима работы двигателя, заложены в программу бортового компьютера и реализуются с помощью электрогидраалического или электромагнитного управления системой передаточных коромысел. Такой работой механизма реализуется автоматическое управление фазами и высотой хода клапанов.
Функциональная модель узла с электронным упраалением механизмом газораспределения работает следующим образом. Если по программе требуется, чтобы клапан открывался и закрывался по синусоидальному закону, в работу включается гармонический (пологий) кулачок. Для этого сигнал управления от ЭБУ подается на соленоид 2, который выталкивает шток 3, а тот в свою очередь надавливает на фиксатор 4. Происходит жесткая фиксация толкателя 6 на промежуточном валу 5, который одновременно является поворотной осью для Т-образного коромысла 8. Пологий кулачок 13 набегает на левый ролик 9, и спаренные клапаны 7 открываются наклоном Т-образного коромысла. Так как в это время правый толкатель 6 не зафиксирован на оси 5, то он никакого действия на коромысло 8 не оказывает. Аналогично работает и острый кулачок 11 или оба кулачка сразу.
В последнем случае может быть получена сколько угодно сложная форма управления клапанами. Достоинством системы является возможность выключения клапанов. Недостатки — конструктивная сложность и низкая надежность механизма фиксации толкателя 6 на оси 5. Сравнительно быстрый износ фиксаторов приводит не только к нарушению программы работы двигателя, но и к полной его остановке. Возможны и другие варианты исполнения фиксаторов, например с электромагнитным гидрофиксатором.
Однако идеальный по газораспределению двигатель внутреннего сгорания пока еще не создан, хотя изобретен профессором МАДИ В.М. Архангельским еще в пятидесятых годах XX века. По идее Архангельского идеальный двигатель должен управляться не механическими клапанами с приводом от распределительного вала, а электромагнитными клапанами с электрическим управлением процессами их открывания и закрывания. Ясно, что если клапаны будут включаться и выключаться по электрическим сигналам, то можно будет создать программу идеального газораспределения и управления клапанами так, как это делается в современных системах зажигания при формировании момента новообразования.
Главной проблемой реализации идеи электромагнитного управления газораспределительными клапанами является пока непреодолимая сложность создания малогабаритных, мощных и быстродействующих электрических клапанов с тихой работой. Когда это станет возможным, процессы газораспределения в поршневом ДВС будут осуществляться не газораспределительным механизмом с распредвалом, а электромагнитными клапанами с управлением от электронной автоматики или от центрального бортового компьютера.
carsaround.ru
На рис. 45 приведена схема привода газораспределительного механизма с помощью конической передачи. От коленчатого вала пара конических шестерен приводит в движение вертикальный вал, который через другую пару конических шестерен передает вращение среднему распределительному валу, управляющему впускными клапанами. Распределительные валы, управляющие выпускными клапанами, приводятся через шестеренную передачу.
| Рис. 45. Привод верхних распределительных валов посредством вертикального вала с коническими шестернями |
В некоторых случаях привод верхних распределительных валов осуществляется цилиндрическими шестернями. Пример такой конструкции представлен на рис. 46. Распределительные валы, перенесенные в верхнюю часть блока, приводятся отдельными шестернями, получающими вращение от одной промежуточной шестерни.
Для уменьшения вибрации при передаче вращения на распределительный вал не следует шестерни привода устанавливать на переднем конце коленчатого вала, который в большей степени подвержен действию крутильных колебаний. Привод располагают иногда в середине коленчатого вала (при составных блоках) или же в задней части двигателя, хотя это вызывает усложнение конструкции.
| Рис. 46. Привод верхних распределительных валов цилиндрическими шестернями |
Фазы газораспределения выбирают в зависимости от числа оборотов коленчатого вала двигателя. Обычно высокооборотные двигатели имеют сильно развитые фазы газораспределения. С увеличением числа оборотов возрастает скорость движения газов в трубопроводах и соответственно увеличивается инерция газового потока, которую стремятся использовать для улучшения очистки цилиндров от отработавших газов и для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью.
Для более полной очистки цилиндров и уменьшения противодавления на поршень при вытеснении им отработавших газов выпускной клапан открывается значительно раньше, чем поршень достигнет н. м. т. У некоторых современных двигателей гоночных автомобилей угол опережения открытия выпускного клапана составляет 80—85°.
Вследствие высокого давления в цилиндре в момент открытия выпускного клапана скорость выходящих отработавших газов в начале выпуска очень велика и достигает 400—500 м/сек. Во время выпуска она постепенно снижается вместе с уменьшением количества выходящих газов и к концу выпуска в трубопроводе создает некоторое понижение давления, что способствует удалению отработавших газов из цилиндра, даже после того, как поршень начал движение вниз. Процесс выпуска продолжается и после прихода поршня в верхнюю мертвую точку, для чего выпускной клапан закрывается со значительным запаздыванием (50—55° после в. м. т.). При этом происходит хорошая очистка камеры сгорания от отработавших газов.
Улучшение наполнения цилиндров горючей смесью обеспечивается открытием впускного клапана с опережением (50—60° до в. м. т.), чем прежде всего достигается большее открытие впускного клапана к моменту начала хода впуска. Кроме того, инерция потока горючей смеси во впускном трубопроводе обеспечивает некоторое повышение давления перед впускным клапаном к моменту его открытия, что способствует лучшему наполнению цилиндра горючей смесью.
Закрытие впускного клапана происходит со значительным запаздыванием (60—70° после н. м. т.). В этот период давление в цилиндре будет значительно ниже, чем давление во впускном трубопроводе, несмотря на начавшееся движение поршня вверх. Только после того, как давление в трубопроводе и в цилиндре выравняется, наполнение цилиндра горючей смесью прекратится. Это выравнивание давлений наступит тем позднее, чем больше число оборотов коленчатого вала двигателя.
Таким образом, продолжительность открытия выпускного клапана увеличивается до 310—320°, а впускного клапана — до 290—310°. Перекрытие клапанов (т. е. период одновременного открытия впускного и выпускного клапанов) достигает 100—115°.
| Рис. 47. Примерная диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя гоночного автомобиля без нагнетателя |
При больших числах оборотов нет опасности попадания отработавших газов во впускной трубопровод, так как потоки выходящих газов и горючей смеси имеют различные направления. На рис. 47 представлена примерная диаграмма фаз газораспределения двигателя гоночного автомобиля (без нагнетателя).
Фазы газораспределения обеспечивают наиболее благоприятные условия работы двигателя в диапазоне определенного числа оборотов. Сильно развитые фазы газораспределения ухудшают работу двигателя на средних оборотах и значительно повышают число оборотов, соответствующее устойчивой работе на холостом ходу.
Установка нагнета теля вызывает необходимость некоторого изменения фаз газораспределения. Угол запаздывания закрытия впускного клапана несколько уменьшают, а угол опережения открытия выпускного клапана увеличивают.
Выбор правильных фаз газораспределения проверяют экспериментально при стендовых испытаниях двигателя, когда имеется возможность учесть влияние различных конструктивных элементов.
Фазы газораспределения двухтактных двигателей определяются углами открытия и закрытия окон по отношению к мертвым точкам поршня. При описании конструкции двухтактных двигателей гоночных автомобилей указывалось, что для них применяются несимметричные фазы газораспределения, которые удается получить при наличии у двух цилиндров общей камеры сгорания. При этом поршень в одном цилиндре управляет продувочными окнами, а поршень в другом цилиндре — выпускными, в результате чего можно получить необходимое смещение фаз.
На получивших у нас наибольшее распространение двухтактных двигателях, имеющих П-образное расположение цилиндров с несимметричной диаграммой газораспределения вследствие применения прицепного шатуна, фазы газораспределения выбирают следующимиОткрытие выпускных окон — 75—82°Закрытие выпускных окон + 51—57°Открытие продувочных окон — 48—55°Закрытие продувочных окон + 65—82°
При наличии прицепного шатуна поршни обоих цилиндров приходят в мертвые точки не одновременно. В некоторых случаях фазы берут по отношению к н. м. т. поршня, связанного с прицепным шатуном.
Как видно из приведенных данных, продувочные окна открываются позднее выпускных, из-за чего значительно понижается давление в цилиндре к моменту начала продувки и создается интенсивный поток отработавших газов, выходящих через выпускные окна под действием избыточного давления в цилиндре. После открытия продувочных окон вытеснение отработавших газов продолжается под действием поступающей в цилиндр свежей смеси.
Закрытие продувочных окон происходит с большим запаздыванием по сравнению с выпускными окнами, что при наличии нагнетателя обеспечивает дополнительный наддув горючей смеси в цилиндры.
gaz20.spb.ru
