В данной статье рассмтори фазы газораспределения и их влияние на работу двигателя.
Газораспределительный механизм (сокращенное наименование – ГРМ) предназначен для обеспечения своевременной подачи в цилиндры двигателя воздуха или топливно-воздушной смеси (в зависимости от типа двигателя) и выпуска из цилиндров отработавших газов. Данные функции реализуются за счет своевременного открытия и закрытия клапанов.
Что такое фазы газораспределения?
Фаза газораспределения - это период от момента открытия клапанов до момента их закрытия, выраженные в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов.
Задача механизма газораспределения — обеспечить наивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндра во время работы двигателя. От того, насколько грамотно подобраны фазы газораспределения,зависит экономичность мотора, мощность и развиваемый момент.
Влияние фаз газораспределения на работу двигателя
В большинстве двигателей фазы меняться не могут и работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.
Для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.
При работе на максимальной мощности ситуация меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить эту задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими.
При разработке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным.
Изменяемые фазы газораспределения
Система изменения фаз газораспределения (общепринятое международное название Variable Valve Timing, VVT) предназначена для регулирования параметров работы газораспределительного механизма в зависимости от режимов работы двигателя. Применение данной системы обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, топливную экономичность и снижение вредных выбросов.
Один из способов это применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.
Инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами.
Например, на определнных двигателях, после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000—6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.
Изменение высоты подъема. Такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. Экономия от применения системы бездроссельного управления составляет от 8% до 15%, прирост мощности в пределах 5—15 %.
Несмотря на то, что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать выше - за счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод заменяется электромагнитным.
В чём плюс электромагнитного привода? Подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем. Даже во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный.
Дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ - невозможно. Выжать больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия.
Категория:
Автомобили и трактора
Фазы газораспределенияДля лучшего наполнения цилиндров двигателя горючей смесью или воздухом и более полной очистки их от отработавших газов открытие и закрытие клапанов производится не в тот момент, когда поршень находится в мертвых точках, а обычно с некоторым опережением при открытии и запаздыванием при закрытии.
Моменты открытия и закрытия клапанов или впускных, выпускных и продувочных окон, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения.
Фазы газораспределения изображаются в виде круговой диаграммы, называемой диаграммой газораспределения.
Впускной клапан в большинстве случаев открывается с некоторым опережением (аф = 5° — 30°), т. е. до прихода поршня в ВМТ. Опережение открытия предусматривают для того, чтобы к началу такту впуска клапан был достаточно открыт, что улучшает наполнение цилиндра.
Закрытие впускного клапана производится с запаздыванием, т. е. после прохождения поршнем НМТ. При этом, несмотря на начавшееся движение поршня вверх, заполнение цилиндра горючей смесью или воздухом будет продолжаться вследствие все еще имеющегося в нем разряжения, а также вследствие инерции потока горючей смеси или воздуха, движущегося во впускном трубопроводе. С повышением частоты вращения коленчатого вала двигателя понижается давление в цилиндре вследствие сопротивления впускного трубопровода и клапанов и увеличивается инерционный напор потока во впускном трубопроводе и цилиндре. Поэтому с возрастанием быстроходности двигателя обычно увеличивают запаздывание закрытия впускного клапана после НМТ.
Таким образом, время открытия впускного клапана, учитывая опережение открытия и запаздывания закрытия, значительно больше 180° поворота коленчатого вала, в течение которого происходит такт впуска. Этим и достигается улучшение заполнения цилиндров горючей смесью или воздухом.
Выпускной клапан открываемся с некоторым опережением (уф = 40°—80°), т. е. до прихода поршня в НМТ. Так как давление в цилиндре значи тельно превышает атмосферное, то основная масса отработавших газов под собственным давлением уходит из цилиндра до достижения поршнем НМТ. Затем поршень, пройдя НМТ и двигаясь к ВМТ, будет выталкивать оставшиеся в цилиндре отработавшие газы.
Рис. 1. Диаграммы фаз газораспределения: а — четырехтактного карбюраторного двигателя; б — двигателя ЗИЛ-130; в — двигателя СМД-14
Закрытие выпускного клапана производится с запаздыванием, т. е. когда поршень пройдет ВМТ. При этом очистка цилиндров улучшается, так как, несмотря на движение поршня к НМТ, продукты сгорания продолжают удаляться из цилиндра по инерции, а также вследствие отсасывающего воздействия потока газов, движущегося по выпускному трубопроводу.
Таким образом, для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов период открытия выпускного клапана значительно больше 180° поворота коленчатого вала, в течение которого происходит такт выпуска. Этим и достигается лучшая очистка цилиндра от отработавших газов.
Из диаграммы фаз газораспределения видно, что есть период, когда оба клапана открыты одновременно, — так называемое перекрытие клапанов. Величина угла перекрытия колеблется в пределах 16— 46°. При перекрытии клапанов утечки горючей смеси с отработавшими газами не происходит вследствие небольшого промежутка времени перекрытия и малых проходных сечений в этот период.
Перекрытие клапанов особенно благоприятно влияет на наполнение цилиндров при большой частоте вращения коленчатого вала. В момент, когда впускной клапан начинает открываться, давление в цилиндре остается выше атмосферного. Отработавшие газы с большой скоростью устремляются к незакрытому еще выпускному клапану и в силу своей инерции не пойдут в открывшуюся узкую щель впускного клапана. Когда же начнется такт впуска в цилиндре создастся нужное разрежение, выпускной клапан закроется, а впускной к этому времени будет уже настолько поднят, что проходное сечение для смеси станет значительным и наполнение цилиндра произойдет лучше.
Наивыгоднейшие фазы газораспределения для каждой модели двигателя устанавливают экспериментальным путем при доводке опытных образцов двигателей.
Под фазами газораспределения понимают моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала. Фазы газораспределения изображаются круговыми диаграммами, их подбирают экспериментальным путем в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при максимальной мощности двигателя и конструкции его впускных и выпускных газопроводов.
При рассмотрении рабочих процессов двигателей в первом приближении было принято, что открытие и закрытие клапанов происходят в мертвых точках. Однако в действительности открытие и закрытие клапанов не совпадают с положением поршней в мертвых точках. Это связано с тем, что время, приходящееся на такты впуска и выпуска, очень мало, и при максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя оно составляет тысячные доли секунды. Поэтому если открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов будут происходить точно в мертвых точках, то наполнение цилиндров горючей смесью и очистка их от продуктов сгорания будут недостаточными. В связи с этим моменты открытия и закрытия клапанов в четырехтактных двигателях происходят с определенным опережением или запаздыванием относительно положения поршней в в. м. т. и н. м. т.
Из общей круговой диаграммы фаз газораспределения видно, что при такте впуска впускной клапан начинает открываться с опережением, т. е. до подхода поршня в в.м.т. Угол а опережения открытия впускного клапана для двигателей различных моделей находится в пределах 10—32°. Закрывается впускной клапан с запаздыванием после прохождения поршнем н.м.т. (во время такта сжатия). Угол запаздывания закрытия впускного клапана в зависимости от модели двигателя составляет 40—85°.
Выпускной клапан начинает открываться до подхода поршня к н.м.т. Угол опережения открытия выпускного клапана для различных двигателей колеблется в пределах 40—70°. Закрывается выпускной клапан после прохождения поршнем в.м.т. (во время такта впуска). Угол запаздывания закрытия выпускного клапана равен 10—50°.
Рис. 2. Диаграммы (а—в) фаз газораспределения двигателей и положения поршней (г), соответствующие фазам газораспределения а — общая четырехтактного; б — ЗИЛ-130; в — КамАЗ-740
Углы опережения и запаздывания, а следовательно, и время открытия клапанов делают тем больше, чем выше частота вращения коленчатого вала, при которой развивается максимальная мощность двигателя. Правильность установки газораспределения определяется точным зацеплением зубчатых колес по имеющимся на них меткам или расположением метки на ведущей звездочке (двигатели ВАЗ) против специального прилива на блоке цилиндров.
Общая круговая диаграмма показывает, что в определенный период времени одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Угловой интервал а+ 6 вращения коленчатого вала, при котором оба клапана открыты, называется перекрытием клапанов, которое необходимо для своевременной и качественной очистки цилиндров от продуктов сгорания.
Из диаграммы фаз газораспределения двигателя ЗИЛ-130 видно, что впускной клапан открывается за 31° до прихода поршня в в.м.т., а выпускной клапан закрывается при угле 47° поворота коленчатого вала после в.м.т., следовательно, угол перекрытия клапанов составляет 78°. Открытие выпускного клапана происходит с опережением на 67° до н.м.т., а закрытие впускного клапана — с запаздыванием на 83° после н.м.т. Таким образом, общая продолжительность открытия каждого клапана составляет 294° по углу поворота коленчатого вала двигателя.
Рассмотренные фазы газораспределения двигателя ЗИЛ-130 получены при зазоре в обоих клапанах 0,3 мм (между носком коромысла и торцом стержня клапана). При уменьшении зазора продолжительность открытия впускного и выпускного клапанов возрастает, а при увеличении зазора уменьшается.
—
Под фазами газораспределения понимают моменты начала открытия и конца закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек. Фазы подбирают опытным путем в зависимости от быстроходности двигателя и конструкции его впускной и выпускной систем. Для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов выпускной клапан начинает открываться до достижения поршнем н. м. т., а закрывается после в. м. т. С целью лучшего наполнения цилиндров впускной клапан начинает открываться до достижения поршнем в. м. т., а закрывается после прохождения н. м. т.
Рис. 3. Фазы газораспределения двигателей: а —ЗМЗ-24, 6 — 3M3-53, в— ЗИЛ-130, г —ЯМЗ-740
Правильность установки газораспределительного механизма определяется зацеплением распределительных шестерен в соответствии с имеющимися на них метками.
Постоянство фаз газораспределения сохраняется при соблюдении температурного зазора между стержнем клапана и носком коромысла. При увеличении зазора продолжительность открытия клапана уменьшается, а при уменьшении зазора — увеличивается.
При рассмотрении рабочих циклов двигателей условно было принято, что открытие и закрытие клапанов происходит в момент нахождения поршня соответственно в в: м. т. или в н. м. т. В действительности моменты открытия и закрытия клапанов не совпадают с положением поршней в мертвых точках. Клапаны открываются и закрываются с некоторым, иногда очень значительным, опережением или запаздыванием, что необходимо для улучшения наполнения цилиндров чистым воздухом (дизели) или горючей смесью (карбюраторные двигатели) и лучшей очистки их от отработавших газов. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала по отношению к соответствующим мертвым точкам, называют фазами газораспределения и изображают в виде круговых диаграмм (рис. 4).
Рис. 4. Диаграммы фаз газораспределения: а — общая диаграмма фаз четырехтактного двигателя; б — диаграмма фаз двигателя автомобиля ЗИЛ-130; в — диаграмма фаз дизеля автомобиля КамАЭ-5320; О — центр вращения вала
Рассмотрим общую диаграмму фаз газораспределения четырехтактного двигателя (рис. 4, а). Впускной клапан (точка 1) открывается с опережением (угол а), т. е. до прихода поршня в в. м. т. Вследствие этого в начале движения поршня вниз впускной клапан будет уже открыт на значительную величину, и наполнение цилиндра (благодаря разрежению) воздухом или горючей смесью улучшится. Впускной клапан (точка 2) закрывается с запаздыванием (угол б), т. е. поршень проходит н. м. т., поднимается вверх, совершая такт сжатия, а клапан в это время еще открыт, и горючая смесь или воздух по инерции заполняют цилиндр.
Выпускной клапан (точка 3) открывается до прихода поршня в н. м. т., т. е. с опережением (угол у). Поршень движется вниз, а отработавшие газы уже начинают выходить из цилиндра, так как давление в нем больше атмосферного. Поэтому при движении поршня вверх, во время такта выпуска, меньше затрачивается работы на удаление отработавших газов из цилиндра двигателя. Закрытие выпускного клапана (точка 4) происходит с запаздыванием (угол Р) — после перехода поршнем в. м. т. В этом случае используется инерция продуктов сгорания и отсасывающее действие потока газов в выпускном трубопроводе.
Таким образом, открытие выпускного клапана с опережением и закрытие его с запаздыванием улучшает очистку цилиндра от отработавших газов. Анализируя диаграмму, видим, что в течение некоторого периода времени, за который коленчатый вал повертывается на угол, равный сумме углов а + Р, открыты оба клапана (впускной и выпускной). Этот период называют перекрытием клапанов.
Для правильной установки фаз газораспределения распределительные шестерни двигателя необходимо точно соединить по меткам.
Диаграммы фаз газораспределения некоторых отечественных двигателей приведены в табл. 6. Указанные фазы газораспределения являются расчетными и действительны при соответствующих зазорах между стержнем клапана и концом коромысла или между стержнем клапана и регулировочным болтом толкателя. Для двигателя автомобиля ГАЗ-бЗА этот зазор равен 0,35 мм, а для автомобиля ЗИЛ-130 составляет 0,30 мм.
Читать далее: Приборы жидкостной системы охлаждения
Категория: - Автомобили и трактора
stroy-technics.ru
Механизм газораспределения служит для осуществления своевременного впуска в цилиндр горючей смеси (например, бензина и воздуха) и выпуска отработавших газов. В головке блока цилиндров помещаются минимум два клапана – впускной и выпускной. Клапаны приводятся в движение деталями механизма газораспределения. Через впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь или воздух; через выпускной клапан выходят отработавшие газы в атмосферный воздух через систему выпуска.
В бензиновых и дизельных двигателях применяется механизм газораспределения клапанного типа, сейчас уже, в основном, с верхним расположением клапанов. Это значит, что клапаны находятся сверху, в головке блока цилиндров, как показано на рисунке 4.8.
Так, при верхнем расположении клапаны с пружинами и деталями их крепления установлены в направляющих втулках в головке блока цилиндров, в которой также отлиты впускные и выпускные каналы.
Рисунок 4.8 Головка блока цилиндров с газораспределительным механизмом.
Усилие от кулачков распределительного вала, расположенного здесь же – в головке блока, к клапанам передается с помощью толкателей и/или коромысел. Коромысла установлены шарнирно на оси, закрепленной на головке блока. Клапаны на головке закрыты крышкой.
Между стержнем клапана, толкателем или концом коромысла газораспределительного механизма должен быть зазор (так называемый тепловой зазор), который необходим для компенсации удлинения стержня клапана при его нагревании без нарушения плотности посадки клапана в гнезде. Другими словами, если бы не было зазора, грубо говоря, между кулачком распредвала и клапаном, то от нагрева до высокой температуры, клапан увеличился бы в длину и перестал бы плотно прилегать к седлу в головке блока цилиндров.
Величина зазора для двигателей разных марок устанавливается для впускных клапанов в холодном состоянии в пределах 0,15—0,30 мм, а для выпускных клапанов, подвергающихся большему нагреву, — в пределах 0,20—0,40 мм. Однако же, у некоторых производителей зазор может быть таков, что не попадет в указанные диапазоны.
Для регулировки величины этого зазора в механизме предусмотрены регулировочные устройства. Хотя слово «устройство» слишком громкое для регулировочного болта и стопорной гайки (Рисунок 4.9) или шайб различной толщины (Рисунок 4.10).
Рисунок 4.9 Регулировка теплового зазора с помощью болта.
Рисунок 4.10 Регулировка теплового зазора с помощью шайб(А – головка блока цилиндров без распределительного вала;Б – головка блока цилиндров с распределительным валом).
Сейчас очень распространена конструкция с гидравлическими компенсаторами, которые под давлением масла подводят коромысло или толкатель к кулачку распределительного вала, убирая тем самым негативное последствие теплового зазора, а именно — удар кулачка о толкатель во время работы. Но стоит упомянуть, что установка гидрокомпенсаторов удорожает конструкцию головки блока цилиндров и повышает свои требования к качеству используемого моторного масла и к частоте его замены, поскольку масляные каналы компенсатора могут забиваться продуктами износа.
ПримечаниеБолее подробно о гидрокомпенсаторах приведено ниже.
ПримечаниеПочему предварительно? Потому что для целостности восприятия данного раздела о распределительном вале необходимо сказать несколько слов, а более подробное описание данной детали будет дано ниже.
Правильность чередования различных тактов в цилиндрах двигателя достигается соответствующим расположением кулачков на распределительном валу, а также правильностью установки зацепления распределительных шестерен/шкивов с приводной шестерней/шкивом коленчатого вала.
В четырехтактном двигателе рабочий цикл во всех цилиндрах завершается за два оборота коленчатого вала. За это время в каждом цилиндре должны по одному разу открыться и закрыться впускной и выпускной клапаны, что происходит за каждый оборот распределительного вала. Таким образом, распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее коленчатого вала. Для этого шестерня распределительного вала имеет вдвое большее число зубьев, чем шестерня коленчатого вала, либо же шкив по диаметру должен быть в два раза больше шкива коленчатого вала.
Для лучшего наполнения цилиндров свежим зарядом и наиболее полной очистки их от отработавших газов моменты открытия и закрытия клапанов в четырехтактных двигателях не совпадают с положениями поршней в ВМТ и НМТ, а происходят с определенным опережением или запаздыванием. Иначе говоря, впускной клапан может закрываться после того, как поршень пройдет НМТ, а выпускной — закрываться после ВМТ.
Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах, соответствующих величинам углов поворотов кривошипа коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения. Фазы газораспределения могут быть нанесены на круговую диаграмму, называемую диаграммой газораспределения, как показано на рисунке 4.11.
Пожалуй, будет проще показать это на примере. Так, если говорят, что клапан открывается за 5 градусов до ВМТ, значит клапан начал открываться в то время, когда кривошип коленчатого вала, к которому присоединен шатун поршня, находился за 5 градусов до верхней мертвой точки.
Рисунок 4.11 Диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя.
Впускной клапан начинает открываться немного раньше, чем поршень придет в ВМТ. При этом к началу хода поршня вниз при такте впуска клапан уже немного откроется. Опережение открытия впускного клапана для двигателей разных моделей колеблется в разных диапазонах. Зачастую закрытие впускного клапана происходит с определенным запаздыванием, когда поршень перейдет НМТ и начнет двигаться вверх. При этом некоторое время после перехода НМТ, несмотря на начавшееся незначительное движение поршня вверх, заполнение цилиндра зарядом будет продолжаться вследствие некоторого разрежения, еще имеющегося в цилиндре, а также вследствие инерции заряда, движущегося во впускном трубопроводе.
ПримечаниеОднако стоит отметить, что существует как минимум два цикла, именуемых циклами Миллера и Аткинсона, при которых впускной клапан закрывается не так, как на обычных ДВС.
Таким образом, время открытия впускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала; продолжительность впуска при этом увеличивается, и цилиндр более полно заполняется свежим зарядом.
Выпускной клапан открывается раньше прихода поршня в НМТ.
При этом газы, находясь в цилиндре под большим давлением, быстро начинают выходить наружу, несмотря на то, что поршень еще движется вниз. Затем поршень, пройдя НМТ и двигаясь к ВМТ, будет выталкивать оставшиеся в цилиндре газы. Выпускной клапан закрывается тогда, когда поршень перейдет ВМТ. Несмотря на то, что поршень начнет уже немного опускаться вниз, газы будут продолжать выходить из цилиндра по инерции и вследствие отсасывающего действия потока газов, движущихся в выпускном трубопроводе. Таким образом, время открытия выпускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала, и цилиндр лучше очищается от отработавших газов.
ПримечаниеУгол поворота кривошипа, соответствующий положению, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно открыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие незначительности этого угла и ничтожной величины зазора между клапанами и гнездами, возможность утечки горючей смеси исключена. Перекрытие клапанов необходимо для дополнительной продувки цилиндра с целью лучшей наполняемости свежим зарядом.
Некоторое уменьшение давления газов на поршень, происходящее при рабочем ходе вследствие раннего открытия выпускного клапана, и потеря части работы газов при этом восполняются тем, что поршень, движущийся при такте выпуска вверх, не испытывает большого сопротивления от газов, оставшихся в небольшом количестве в цилиндре.
С развитием технологий перед конструкторами и инженерами открылись серьезные перспективы в повышении эффективности работы двигателя – увеличение мощности с одновременным снижением расхода топлива стало новым трендом в автомобильной промышленности. Для того, чтобы оптимизировать работу двигателя внутреннего сгорания, необходимо подстраивать фазы газораспределения под все режимы нагрузки – от холостого хода до полной нагрузки.
ПримечаниеОбороты холостого хода — это минимальные обороты, при которых двигатель может работать устойчиво без нагрузки. Вы запустили двигатель, при этом никакого движения и воздействия на педаль газа не происходит.
А как изменять фазы газораспределения? — Проворачивать распределительный вал относительно коленчатого вала, изменяя тем самым моменты открытия клапанов. Прибавим к этому управление опережением зажигания* и это даст возможность управлять началом и концом тактов двигателя и позволило настолько оптимизировать работу ДВС, что показатели мощности и расхода топлива улучшились многократно.
Примечание* Опережение зажигания. Для того чтобы топливовоздушная смесь успела сгореть, пока поршень движется от верхней мертвой точки к нижней, ее необходимо поджигать немного раньше. Основным показателем является угол опережения зажигания, который говорит нам о том, за сколько градусов до ВМТ на такте сжатия возникнет пробой между электродами свечи. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель угол опережения зажигания должен изменяться, что реализуется с помощью распределителя зажигания или электронного блока управления двигателя (подробнее об этом рассмотрено в главе 10 «Электрооборудование и электросистемы», раздел 10.4 «Система зажигания»).
Суть системы проста. На распределительный вал (или валы) устанавливается специальный механизм, на внешней части которого есть звездочка для приводной цепи от коленчатого вала. Механизм этот устанавливается так, что может проворачивать распределительный вал в сторону опережения или запаздывания, в зависимости от режима работы двигателя.
Если говорить более подробно, то работа механизма изменения фаз газораспределения (фазовращателя) происходит, как описано ниже.
Коленчатый вал через приводную цепь вращает фазовращатель, который установлен на распределительном валу. В момент, когда необходимо сместить время открытия клапанов в сторону запаздывания или опережения, фазовращатель проворачивает распредвал в соответствующую сторону.
Рисунок 4.12 Внешний вид фазовращателя.
Фазовращатели, в основном, устанавливают на впускной распределительный вал (вал, который открывает только впускные клапаны), но сейчас все чаще данные механизмы монтируют на оба распредвала – впускной и выпускной.
В современных бензиновых двигателях количество топливной смеси регулируется с помощью дроссельной заслонки – заслонка открывается, поступает больше воздуха, в соответствии с этим впрыскивается больше топлива. Воздух, необходимый для приготовления топливовоздушной смеси, пока доберется до цилиндра, преодолеет несколько весьма неприятных препятствий: воздушный фильтр, дроссельную заслонку, клапаны, а это все потери, которые напрямую влияют на мощность ДВС. Попробуйте сами подышать в противогазе не с угольным а с бумажным фильтром… Вот так и двигателю «тяжело дышать». Одно из препятствий на пути воздуха, от которого мечтали избавиться конструкторы, это дроссельная заслонка. Однако как регулировать количество впускаемого воздуха? Решение снова было связано с клапанами. Пришли к тому, что необходимо регулировать высоту клапана. Были системы со ступенчатым регулированием высоты клапана, а именно: клапан открывался только на три разные высоты. Затем придумали систему бесступенчатого открытия клапанов с диапазоном открытия от 1 мм до 10 мм. Это позволило избавиться от дроссельной заслонки – двигателю стало легче «дышать». Однако избавление от дроссельной заслонки изменением высоты открытия клапанов не является самоцелью. Контроль над работой клапанов позволяет еще больше отточить работу четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
К клапанной группе относятся клапан, направляющая втулка клапана, клапанная пружина с опорной шайбой и деталями крепления (они же — «сухари»). Все описанное приведено на рисунке 4.13.
Клапан служит для закрытия и открытия впускных или выпускных каналов в головке блока цилиндров. Основными элементами клапана являются тарелка и стержень.
Тарелка клапана имеет шлифованную конусную рабочую поверхность — фаску (обычно под углом 45°), которой клапан плотно притерт к седлу.
Стержень клапана отшлифован и проходит через направляющую втулку. На конце стержня клапана имеется канавка или отверстие для крепления опорной шайбы пружины. Разноименные клапаны имеют тарелки различных диаметров (зачастую, больший — у впускного клапана) или отличаются специальными метками.
Рисунок 4.13 Клапанный механизм.
Седло клапана (на рисунке 4.13) представляет собой металлическое кольцо цилиндрической формы с обработанной под углом 45 градусов рабочей поверхностью (той самой, к которой прилегает тарелка клапана). Седла клапанов запрессованы в головку блока цилиндров. Существуют конструкции с заменяемыми седлами и с седлами, запрессованными наглухо.
Направляющая втулка, в которой клапан устанавливается стержнем, обеспечивает точную посадку клапана в седло. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.
Рисунок 4.14 Клапан.
Клапанная пружина удерживает клапан в закрытом положении, обеспечивая плотную его посадку в гнезде, а также создает постоянное прижатие толкателя к поверхности кулачка распределительного вала. Пружину надевают на выходящий из втулки конец стержня клапана и закрепляют на нем в сжатом состоянии с помощью опорной шайбы с коническими разрезными сухарями, которые входят в выточку на стержне клапана. Иногда на клапан устанавливают две пружины: пружину меньшего диаметра — внутрь пружины большего диаметра. Это делается для того, чтобы избежать резонанса пружины на определенных частотах работы двигателя, а также для подстраховки на случай поломки пружины. Часто применяются пружины с переменным шагом витков. Это исключает вероятность возникновения вибрации пружины и ее поломки при большом числе оборотов коленчатого вала двигателя. При установке двух пружин их подбирают таким образом, чтобы направление навивки их витков было выполнено в разные стороны, что также устраняет опасность возникновения резонансных колебаний пружин.
Для ограничения количества масла, поступающего в направляющую втулку, и устранения подсоса масла в цилиндр через зазоры во втулке на верхних впускных клапанах под опорной шайбой ставят маслосъемные колпачки.
Толкатель служит для передачи осевого усилия от кулачка распределительного вала на стержень клапана или на штангу. Дело в том, что передавать усилие от кулачка распредвала лучше именное через промежуточное звено – толкатель. Поскольку при длительной работе элементы клапанного механизма изнашиваются и, когда приходит время замены чрезмерно износившихся деталей, проще заменять небольшой толкатель, нежели целый распредвал или клапаны.
Рисунок 4.15 Головка блока цилиндров с элементами газораспределительного механизма.
Как было отмечено выше, сейчас получили широкое распространение так называемые гидрокомпенсаторы. «Гидро», потому что работают за счет давления моторного масла, а «компенсаторы», так как компенсируют или, проще говоря, сводят на нет зазор между кулачком распределительного вала и толкателем во время работы.
Толкатели в большинстве двигателей устанавливают без втулок непосредственно в отверстия приливов головки блока цилиндров. В некоторых двигателях для толкателей имеются направляющие втулки, отлитые секцией на несколько цилиндров.
Коромысло. Изменяет направление передаваемого движения. Устанавливают зачастую, когда распределительный вал один, а клапанов на цилиндр два или четыре, но расположены они особым образом (смотрите рисунок 4.16). Коромысла устанавливают на бронзовых втулках или без втулок на осях, которые при помощи стоек закреплены на головке блока. Одно плечо коромысла располагается над стержнем клапана, а другое — под или над кулачком распределительного вала. Для регулировки зазора между стержнем клапана и коромыслом в конец коромысла вкручен регулировочный винт с контргайкой.
Рисунок 4.16 Привод клапанов через коромысло.
Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Вал имеет впускные и выпускные кулачки (смотрите рисунок 4.17) и опорные шейки*.
Рисунок 4.17 Газораспределительный механизм в сборе.
Примечание* На рисунке 4.17 опорные шейки не показаны, так как изображение схематическое и приведено для предварительного ознакомления. Получить представление о внешнем виде распределительных валов можно из рисунка 4.18.
Кулачки изготавливают как одно целое с валом. Однако существуют сборные конструкции, когда кулачки напрессовывают на вал.
Для каждого цилиндра у четырехтактных двигателей в зависимости от количества клапанов имеются два и более кулачков: впускных и выпускных. Форма кулачка обеспечивает плавный подъем и опускание клапана и соответствующую продолжительность его открытия. Одноименные кулачки для каждого цилиндра (например, впускные) располагают в четырехцилиндровых двигателях под углом 90°, в шестицилиндровых — под углом 60° и в восьмицилиндровых — под углом 45°. Разноименные кулачки (впускные и выпускные) устанавливают под углом, величина которого зависит от фаз газораспределения. Вершины кулачков располагаются в принятом для двигателя порядке работы с учетом направления вращения вала.
Рисунок 4.18 Головка блока цилиндров с распределительными валами.
Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала разными способами. Самыми распространенными являются: цепной и ременной привод, реже используется шестеренный.
Цепной привод. На конце коленчатого и распределительного валов устанавливают звездочки (как на велосипеде) и надевают приводную цепь. Для того чтобы исключить биение цепи, дополнительно устанавливают успокоитель, который представляет собой длинную планку, по которой перемещается цепь. Обычно с другой стороны устанавливают направляющую натяжителя цепи. Цепной привод можно изучить так же на рисунках 4.19 и 4.20.
Рисунок 4.19 Схема цепного привода газораспределительного механизма.
Рисунок 4.20 Пример цепного привода газораспределительного механизма.
Ременной привод. На коленчатый и распределительный валы устанавливаются зубчатые шкивы, чем-то напоминающие звездочки, однако намного шире их. На эти зубчатые шкивы надевается зубчатый ремень. Для удобства снятия и установки приводного ремня устанавливают натяжитель ремня (часто автоматический). Пример привода распределительного вала (или валов) с помощью зубчатого ремня приведен на рисунках 4.21 и 4.22.
Рисунок 4.21 Схема ременного привода газораспределительного механизма.
Рисунок 4.22 Пример ременного привода газораспределительного механизма.
Шестеренный привод. Привод распределительного вала осуществляется от шестерни на коленчатом валу через ряд промежуточных шестерен или напрямую, как показано на рисунке 4.23.
Рисунок 4.23 Шестеренный привод газораспределительного механизма.
В погоне за экономичностью конструкторы решали одну из беспокоящих их проблем: что делать, когда двигатель, работая, использует всего 15–20 % своей мощности. Такое бывает, когда мы стоим, например, в пробке или едем по трассе на крейсерской скорости.
ПримечаниеКрейсерская скорость – скорость, при которой достигаются оптимальные показатели топливной экономичности. Термин, конечно, более подходящий для авиационной промышленности, однако, если мы едем по магистрали на пятой, а то и шестой передаче, то он вполне применим и в этой отрасли.
А если мощность используется не вся, то зачем работать всем цилиндрам двигателя? Что, если взять и отключить, например, на стоящем в пробке автомобиле, два из четырех цилиндров.
Ведь пары цилиндров вполне хватит для того, чтобы двигатель работал на холостых оборотах. В оставшиеся два цилиндра перестают подавать топливо и, чтобы они попросту не перекачивали воздух по впускному и выпускному коллектору, закрывают впускные и выпускные клапаны. Для выполнения такой незамысловатой операции придумали относительно простое решение: на распределительном вале рядом с обычными кулачками расположили кулачки с «нулевой высотой», то есть они никак не воздействуют на толкатель клапана.
Так при нормальной работе распределительный вал вращается и все клапаны выполняют свое назначение, а когда возникает необходимость в отключении клапанов, открывается специальный клапан, через который моторное масло под давлением, воздействуя на распределительный вал, смещает его в направлении продольной оси; кулачки с обычным профилем как открывали, так и открывают клапаны, а там где кулачки имеют «нулевую высоту», они просто-напросто не достают до клапанов, и те, в свою очередь, стоят неподвижно.
ПримечаниеРазличные фирмы в разные времена предложили несколько схем реализации описанной выше операции по отключению части клапанов. Выше приведен лишь один из способов.
monolith.in.ua
Продолжительность открытия впускных или выпускных отверстий цилиндра, выраженную в градусах угла поворота коленчатого вала, принято называть фазами газораспределения.
В зависимости от назначения отверстий, соединяющих цилиндровую полость двигателя с впускным или выпускным трубопроводами, различают фазы впуска (продувки) и выпуска. Величину фаз выбирают сообразно с тактностью двигателя, особенностями его конструкции и быстроходностью. Правильный выбор фаз газораспределения для каждой конкретной модели двигателей в значительной степени определяет их параметры. На окончательном выборе фаз газораспределения останавливаются после экспериментального уточнения путем испытаний данной модели двигателя на стенде.
Для большей наглядности фазы газораспределения обычно изображают в виде круговых диаграмм. На рис. 1 показаны такие диаграммы для четырехтактного автомобильного двигателя МЗМА-408 и двухтактного мотоциклетного двигателя К-175, имеющего кривошипно-камерную продувку.
В четырехтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, причем ход впуска или выпуска совершается поршнем за 180° угла поворота коленчатого вала. Однако опыт создания четырехтактных двигателей и экспериментальные исследования их показали, что продолжительность процессов впуска и выпуска должна быть больше соответствующих ходов поршня. Иначе нельзя ожидать хороших мощностных и экономических показателей. Поэтому в быстроходных автомобильных двигателях процесс впуска начинается за 10—20° до прихода поршня в в.м.т., а заканчивается примерно через 40—70° и даже 100° угла поворота вала после того, как поршень пройдет н.м.т. Следовательно, общая продолжительность фазы впуска составляет 240÷300° угла поворота коленчатого вала (см. рис. 1, а).
Рис. 1 - Диаграммы фаз распределения:
а) четырехтактного двигателя МЗМА-408; б) двухтактного двигателя К 175
Угол поворота коленчатого вала от н.м.т. до момента закрытия впускного клапана называется углом запаздывания закрытия. Увеличение угла запаздывания закрытия клапана заметно улучшает наполнение цилиндров. Объясняется это явление возникающим инерционным напором потока во впускном трубопроводе, который усиливается к концу процесса впуска. Благодаря этому свежий заряд может поступать в цилиндр и в то время, когда поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Обычно за время запаздывания закрытия впускного клапана при полной нагрузке и номинальных оборотах вала в цилиндр поступает 10—15% свежей горючей смеси или воздуха, потребляемых двигателем.
Такую же примерно продолжительность в автомобильных двигателях имеет и фаза выпуска (см. рис. 1, а). Выпускной клапан открывается до прихода поршня в н.м.т. при такте расширения за 40—60° угла поворота коленчатого вала, а закрывается с запаздыванием на 15—20° после завершения хода выпуска (после в.м.т.).
Открытие выпускного клапана с большим углом опережения необходимо для того, чтобы лучше очистить цилиндр. К этому моменту газы в цилиндре имеют давление около 4—5 кГ/см2 (≈0,4—0,5 Мн/м2) и выбрасываются в атмосферу с большой скоростью равной скорости при критическом перепаде давлений Считают что за первую фазу выпуска из цилиндра выбрасывается примерно 60—70% всех отработавших газов и только 20—30% их удаляется при последующем ходе поршня от н.м.т. до в.м.т., когда осуществляется вторая фаза выпуска. Если бы выпускной клапан открывался в момент нахождения поршня в н.м.т., то все отработавшие газы пришлось бы удалять из цилиндра при движении поршня к в.м.т. и затрачивать на это большую работу.
Увеличение работы на впуск свежего заряда в цилиндры или выпуск в атмосферу отработавших газов ведет к ухудшению экономических и мощностных показателей двигателя.
Расширение фаз впуска и выпуска путем введения некоторого опережения открытия впускного и запаздывания закрытия выпускного клапанов позволяет лучше использовать проходные сечения клапанных отверстий, так как к началу хода впуска и после завершения поршнем хода выпуска клапаны находятся в приоткрытом состоянии. Положение, когда поршень находится вблизи в.м.т. и оба клапана одновременно приоткрыты, называется перекрытием клапанов.
В двигателе, диаграмма фаз газораспределения которого показана на рис. 1, а, перекрытие клапанов составляет 40° угла поворота коленчатого вала.
Рабочий процесс в двухтактных двигателях осуществляется за один оборот коленчатого вала, поэтому в сравнении с четырехтактными двигателями продолжительность фаз газораспределения у них примерно в два раза меньше. Круговая диаграмма фаз двухтактного двигателя (см. рис. 1, б), имеющего кривошипно-камерную продувку, существенно отличается от диаграмм четырехтактных двигателей еще и тем, что характеризует газообмен одновременно в надпоршневой и кривошипной полостях двигателя.
Для двигателей типа К-175, показанная на рис. 1, б круговая диаграмма является типичной. Впуск горючей смеси в кривошипную камеру продолжается всего 121° угла поворота вала, пока открыто окно 10°. К моменту открытия окна 6 давление в цилиндре снижается почти до атмосферного и как только окно 6 приоткроется, начинается продувка цилиндра, т. е. процесс одновременного наполнения цилиндра и принудительного вытеснения из него отработавших газов.
В рассматриваемом примере выпуск продолжается 147°, а продувка всего 122° угла поворота коленчатого вала. Поэтому очистка и наполнение цилиндров в двигателях с двухтактным рабочим процессом всегда бывает хуже, чем в четырехтактных.
Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г
Newer news items:
Older news items:
azbukadvs.ru
При модернизации двигателя наддувом особое внимание должно быть уделено правильному выбору фаз газообмена. Для двигателя без наддува выбор фаз газообмена определяется задачей наилучшей очистки цилиндра от остаточных газов (оптимальная продувка), задачей получения максимального коэффициента наполнения. Однако, в случае применения турбонаддува важной задачей является обеспечение турбины достаточной энергией выхлопных газов. Обычно для быстроходных двигателей опережения открытия выпускных и впускных клапанов, а также запаздывания их закрытия превышают аналогичные параметры проходных двигателей. Величина этого превышения составляет порядка 10 градусов поворота коленчатого вала. Особенно существенно это превышение для двухтактных ДВС, где это превышение cоставляет 15-20 градусов и более.
Рис. Схема фаз газораспределения двигателей без наддува: Б — быстроходный, Т — тихоходный.
Для двигателей с наддувом, с целью обеспечения необходимой мощности турбины, опережение открытия выпускного клапана на 15-30 градусов превышает опережение, применяемое в быстроходных ДВС. Такие изменения требуют изменения конструкции кулачков привода клапанов, а чаще всего механизма газораспределения.
Ещё сложнее проблема решается в двухтактных двигателях, где фазы газораспределения определяются положением окон относительно управляющей кромки поршня.
Рис. Схема фаз газообмена быстроходного двигателя с наддувом: О.Вып. — увеличение опережения открытии выпускного клапана относительно НМТ, Б — быстроходный, Т — тихоходный.
Правильный выбор фаз газообмена совместно с правильно спроектированной турбиной обеспечивают получение величины рк/рг > 1 (где рг — давление в выпускной системе). Тогда обеспечивается получение положительной работы при смене рабочего тела (положительная работа процессов выпуска-наполнения), а следовательно, повышение механического КПД двигателя (в двигателях без наддува или с наддувом, но при рк/рг < 1, работа всасывания — выпуска, т. е. работа насосных ходов является отрицательной и суммируется со всеми механическими потерями в двигателе).
В процессе газообмена между полостью цилиндра и полостью выпускного коллектора имеют место определённые перепады давления, которые определяют возможности перетекания газа между ними. Причём, закрытие выпускного клапана должно происходить тогда, когда давление в коллекторе начнёт превышать давление в цилиндре. В противном случае часть ОГ поступит обратно в цилиндр, снизится коэффициент наполнения, возрастёт коэффициент остаточных газов и т.д. Уровень давления в коллекторе в данный момент времени определяется тем волновым процессом, который сформировался в процессе открытия выпускного клапана и перетекания газов из цилиндра в выпускной коллектор.
Рис. Формирование волн давления в выпускном коллекторе дизелей:Б — быстроходный,Т — тихоходный,рц — давление в цилиндре,Рвып — давление в выпускном коллекторе,ОюВып — опережение выпуска,Вып — шкала фаз выпуска,Вп — шкала впуска.
Причём линия изменения давления в коллекторе быстроходного двигателя или двигателя с наддувом показана более жирной. Видно, ни при угле п. к. в. (поворота коленчатого вала), соответствующем опережению его открытия (О.Вып) для быстроходного двигателя более раннем, чем для тихоходного, давление в цилиндре рц существенно превышает давление в коллекторе рвып. В коллекторе нарастает давлении и формируется волна. Причём максимальное давление в волне рзб превышает рзт. Вблизи минимума давления в волне начинается открыто впускного клапана. В области ВМТ имеет место перекрытие клапаном. Величина этого перекрытия определяется также параметрами давления в цилиндре, во впускном и выпускном коллекторах. Очевидно, что в период перекрытия клапанов давление во впускном коллекторе должно превышать давление на выпуске, чтобы произошла продувка цилиндра. При этом фазы газораспределения учитывают также и инерционность потоков газа из цилиндра в выпускной коллектор и из впускного коллектора — в цилиндр и в выпускной коллектор. Итак, волна давления, сформированная выпуском ОГ из цилиндра, отразившись от свободного конца коллектора, формирует волну разрежения (уровень рзат и рзаб). Эта волна разрежения в период перекрытия клапанов обеспечивает истечение газов из цилиндра и продувку цилиндра свежим зарядом.
ustroistvo-avtomobilya.ru
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с распределенным впрыском топлива. Изобретение позволяет повысить точность управления ДВС в отсутствие датчика фаз. Способ определения фазы рабочего цикла ДВС, снабженного электронной системой управления, включающей в себя датчик положения коленчатого вала, контроллер, выполненный на базе микроЭВМ, топливные форсунки и катушки зажигания, при котором выбирают цилиндр ДВС, выполняют тестовый впрыск топлива в выбранный цилиндр, воспламеняют топливно-воздушную смесь в выбранном цилиндре и определяют по реакции двигателя такт рабочего хода выбранного цилиндра и фазу рабочего цикла ДВС. Фазу рабочего цикла определяют при пуске ДВС. Для чего раскручивают пусковым устройством коленчатый вал ДВС, затем выполняют тестовый впрыск топлива в выбранный цилиндр ДВС и воспламеняют топливно-воздушную смесь в выбранном цилиндре. Подачу топлива в остальные цилиндры выполняют после определения фазы рабочего цикла ДВС. 9 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для управления двигателем внутреннего сгорания (далее ДВС) с распределенным впрыском топлива.
Из уровня техники известны электронные системы управления ДВС с распределенным последовательным впрыском топлива (см., например, Твег Росс. Системы впрыска бензина. Устройство, обслуживание, ремонт. М.: Изд. "За рулем", 1999 г., стр.104), включающие в себя датчик углового положения коленчатого вала ДВС (далее датчик положения коленвала), контроллер на базе микроЭВМ, датчик углового положения распределительного вала ДВС (далее датчик фаз), индивидуальные для каждого цилиндра катушки зажигания и топливные форсунки.
Полный рабочий цикл ДВС осуществляется за два оборота коленчатого вала, поэтому угловое положение коленчатого вала не дает точной информации о фазе рабочего процесса. Для однозначного определения фазы рабочего процесса контроллером используют совокупность сигналов датчика положения коленвала и датчика фаз. Электронная система управления ДВС усложнена наличием датчика фаз и дополнительной проводкой, связывающей этот датчик с контроллером системы управления ДВС.
Из патентов RU 2242732, RU 2242733, RU 2242734, МПК7 G01M 15/00, F02M 65/00, публ. 20.12.2004 г., известны способы определения фазы рабочего цикла ДВС с распределенным впрыском топлива в системе, снабженной датчиком положения коленвала, датчиком фаз, контроллером, выполненным на базе микроЭВМ, и топливными форсунками.
Упомянутые выше способы реализуются после пуска в процессе работы ДВС и предусматривают - при отсутствии (пропадании) сигнала датчика фаз - впрыск тестового пониженного/повышенного количества топлива в один из цилиндров и определение по реакции двигателя такта рабочего хода выбранного цилиндра и фазы рабочего цикла ДВС. Реакцию ДВС определяют по изменению времени поворота коленчатого вала на заданный угол (патент RU 2242732) или по изменению угловой скорости коленчатого вала (патенты RU 2242733, RU 2242734).
За прототип заявляемого технического решения взят способ определения фазы рабочего цикла ДВС, известный из патента RU 2170915 C1, МПК7 G01M 15/00, F02M 65/00, публ. 20.07.2001 г. Способ предусматривает на режиме группового впрыска топлива выполнение тестового впрыска пониженного/повышенного количества топлива в один из цилиндров ДВС, воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндрах и определение по реакции двигателя такта рабочего хода выбранного цилиндра и фазы рабочего цикла ДВС.
Способ-прототип применяется только на послепусковых режимах, поэтому возможность точного управления ДВС, а именно управление количеством топлива, впрыскиваемого в цилиндры, возникает не с момента старта ДВС.
Задачей заявляемого технического решения является повышение точности управления ДВС в отсутствие датчика фаз.
Указанная задача решается способом определения фазы рабочего цикла, при котором выбирают цилиндр ДВС, выполняют тестовый впрыск топлива в выбранный цилиндр, воспламеняют топливно-воздушную смесь в выбранном цилиндре и определяют по реакции двигателя такт рабочего хода выбранного цилиндра и фазу рабочего цикла ДВС.
Задача решается тем, что при пуске ДВС раскручивают пусковым устройством (в качестве пускового устройства может быть использован, например, стартер или стартер-генератор) коленчатый вал ДВС, после чего выполняют тестовый впрыск топлива в один из цилиндров ДВС, воспламеняют топливно-воздушную смесь в цилиндре, определяют, что такт, в котором была обнаружена реакция, является тактом рабочего хода выбранного цилиндра, и устанавливают фазу рабочего цикла ДВС, а подачу топлива в остальные цилиндры выполняют после определения фазы рабочего цикла ДВС.
Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время совокупность отличительных признаков, приводящая к решению поставленной задачи, явным образом не следует из уровня техники, поэтому заявляемое техническое решение соответствует условию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 показана схема системы управления ДВС для реализации заявленного способа; на фиг.2.1-2.4 приведена графическая развертка работы двигателя в зависимости от угла положения коленчатого вала (ПКВ) на режиме пуска и послепусковом режиме при наиболее предпочтительном моменте тестового впрыска топлива; на фиг.3.1-3.4 приведена графическая развертка работы двигателя в зависимости от угла положения коленчатого вала на режиме пуска и послепусковом режиме при наименее предпочтительном моменте тестового впрыска топлива.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано в системе управления четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, включающей в себя (см. фиг.1) датчик 1 углового положения коленчатого вала ДВС, контроллер 2, выполненный на базе микроЭВМ, топливные форсунки 3 и катушки 4 зажигания.
Датчик 1 углового положения подключен ко входу контроллера 2, топливные форсунки 3 и катушки 4 зажигания подключены к выходам контроллера 2. В качестве датчика 1 положения коленвала может быть использован индукционный (электромагнитный) датчик. Датчик размещают над зубчатым диском, закрепленным на коленвале двигателя и имеющем 58 зубьев (60 минус 2 пропущенных зуба).
В примере показана система управления четырехцилиндровым ДВС, однако способ осуществим для двигателя с любым числом цилиндров.
Система также может содержать другие датчики режима работы ДВС, такие как датчик расхода воздуха, датчик положения дроссельной заслонки, датчик температуры охлаждающей жидкости и т.п., подключенные к соответствующим входам контроллера 2.
Система работает следующим образом.
В исходном состоянии двигатель не работает, сигналы датчика 1 углового положения коленвала двигателя не формируются. Форсунки 3 и катушки 4 зажигания находятся в выключенном состоянии, т.е. топливоподача в ДВС отсутствует, напряжение на электроды свечей зажигания не подается.
Для реализации заявляемого технического решения выполняют следующую последовательность действий.
Стартером или другим пусковым устройством раскручивают коленчатый вал ДВС. Этот режим работы ДВС называется пусковым или режимом пуска двигателя.
Выбирают цилиндр для осуществления тестового впрыска топлива. В данном примере выбран первый цилиндр.
По прохождению мимо чувствительного элемента датчика 1 положения коленвала опорной метки на зубчатом диске-задатчике (пропущенные зубья) определяют контроллером 2 прохождение поршнем в выбранном цилиндре верхней мертвой точки (далее в.м.т.).
Контроллером 2 подают - в привязке к в.м.т.- импульс питающего напряжения на топливную форсунку 3 выбранного цилиндра ДВС, благодаря чему осуществляют тестовый впрыск топлива в выбранный цилиндр.
Воспламеняют топливно-воздушную смесь в цилиндре посредством подачи управляющего напряжения одновременно на катушки зажигания первого и четвертого или второго и третьего цилиндров, в зависимости от выбранной для тестового впрыска форсунки.
Определяют реакцию ДВС на тестовый впрыск топлива (как изменение скорости коленвала или изменение времени прохождения валом заданного угла).
Если реакция обнаружена, то контроллером 2 определяют, что такт, в котором была обнаружена реакция, является тактом рабочего хода выбранного цилиндра, и устанавливают фазу рабочего цикла ДВС.
Работа двигателя в зависимости от угла положения коленчатого вала на режиме пуска и послепусковом режиме при наиболее предпочтительном моменте тестового впрыска топлива показана на фиг.2.1-2.4. Тестовый впрыск осуществляют на такте работы первого цилиндра, который оказывается тактом впуска (фиг.2.1). За этим следуют такты сжатия с последующей подачей импульса зажигания на свечу первого цилиндра (фиг.2.3), воспламенение топливо-воздушной смеси и такт рабочего хода, при котором возрастает угловая скорость коленвала (фиг.2.4). Возрастание угловой скорости коленвала регистрируют контроллером как такт рабочего хода первого цилиндра и в соответствии с этой установкой определяют фазу рабочего цикла ДВС. Учитывая тот факт, что поршни ДВС вполне однозначно связаны между собой коленвалом, а порядок работы одного из цилиндров (в данном случае - первого) также определен однозначно, синхронизация работы остальных трех цилиндров может быть осуществлена известными методами по заранее заданному алгоритму. В последующем после определения фазы рабочего цикла ДВС такте впрыск осуществляют по заданному для данного ДВС алгоритму, в данном случае во второй цилиндр (фиг.2.2). Следуют последовательные впрыски в первый, третий, четвертый и второй цилиндры. Цилиндры последовательно проходят такты рабочего процесса, двигатель запускается и выходит на послепусковой режим работы (фиг.2.4).
Однако изначально момент тестового впрыска топлива может оказаться не столь удачным и, в наиболее худшем варианте, совпасть с тактом рабочего хода первого цилиндра (фиг.3.1). Соответственно, далее следуют такты выпуска, впуска и сжатия с последующей подачей импульса зажигания на свечу первого цилиндра (фиг.3.3), воспламенение топливо-воздушной смеси и такт рабочего хода, при котором возрастает угловая скорость коленвала (фиг.3.4). Далее процедура повторяет описанное выше: возрастание угловой скорости коленвала регистрируют контроллером как такт рабочего хода первого цилиндра и в соответствии с этой установкой определяют фазу рабочего цикла ДВС. В конечном итоге двигатель запускается и выходит на послепусковой режим работы (фиг.3.4).
Предложенный способ позволяет повысить точность управления ДВС в отсутствие датчика фаз за счет отнесения начала фазированного впрыска на режим пуска двигателя.
Способ определения фазы рабочего цикла ДВС, снабженного электронной системой управления, включающей в себя датчик положения коленчатого вала, контроллер, выполненный на базе микроЭВМ, топливные форсунки и катушки зажигания, при котором выбирают цилиндр ДВС, выполняют тестовый впрыск топлива в выбранный цилиндр, воспламеняют топливно-воздушную смесь в выбранном цилиндре и определяют по реакции двигателя такт рабочего хода выбранного цилиндра и фазу рабочего цикла ДВС, отличающийся тем, что фазу рабочего цикла определяют при пуске ДВС, для чего раскручивают пусковым устройством коленчатый вал ДВС, затем выполняют тестовый впрыск топлива в выбранный цилиндр ДВС и воспламеняют топливно-воздушную смесь в выбранном цилиндре, а подачу топлива в остальные цилиндры выполняют после определения фазы рабочего цикла ДВС.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с распределенным впрыском топлива. Изобретение позволяет определять фазы рабочего цикла ДВС при отсутствии (пропадании) сигнала датчика фаз. В способе определения фазы рабочего цикла многоцилиндрового ДВС с распределенным групповым впрыском топлива, включающим измерение угловой скорости коленчатого вала, определяют среднее значение угловой скорости, отклонение угловой скорости от среднего значения и максимальное значение отклонения угловой скорости от среднего значения. Производят тестовый впрыск в один из цилиндров и определяют такт рабочего хода данного цилиндра по превышению отклонения угловой скорости относительно максимального значения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления двигателем внутреннего сгорания (далее - ДВС) с распределенным впрыском топлива.
Известны ДВС с распределенным циклическим групповым впрыском топлива во впускной тракт. Система управления впрыском топлива включает в себя датчик положения коленчатого вала, контроллер, выполненный на базе микроЭВМ, и топливные форсунки. Впрыск топлива осуществляется одновременно всеми топливными форсунками (1) или попарно-параллельно (2). Впрыск топлива осуществляется путем включения топливных форсунок в заданной фазе поворота (угловом положении) коленчатого вала на определенное. зависящее от режима работы ДВС время, определяемое путем обработки сигнала датчика положения коленчатого вала.
Поскольку полный рабочий цикл ДВС осуществляется за два оборота коленчатого вала (720 угловых градусов или 4
радиан), угловое положение коленчатого вала не дает точной информации о фазе рабочего процесса. Угловое положение коленчатого вала позволяет точно определить фазу движения поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке и от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, однако, неизвестно, какой рабочий такт совершается при этом: рабочий ход или впуск, либо, соответственно, сжатие или выпуск.
Известна (3) система управления ДВС с распределенным последовательным впрыском топлива, снабженная дополнительно датчиком положения распределительного вала (датчиком фаз). Сигнал датчика фаз, формирующийся в конкретном случае в конце такта сжатия первого цилиндра, в совокупности с данными о положении коленчатого вала позволяет определить фазу рабочего цикла ДВС. Используя сигнал датчика фаз и сигнал датчика положения коленчатого вала, контроллер рассчитывает моменты включения форсунок таким образом, что впрыск для каждого цилиндра осуществляется в определенной фазе рабочего цикла (например, на закрытый впускной клапан перед началом такта впуска), что позволяет повысить эффективные показатели конкретного ДВС. Длительность включения форсунок, определяющая величину топливоподачи, рассчитывается, исходя из режима работы ДВС, в том числе угловой скорости вращения коленчатого вала ДВС, которая определяется путем измерения времени поворота вала на заданный угол, например, равный n-й части полного рабочего цикла Ф=4/n, где n - число цилиндров ДВС.
Недостатками такой системы являются повышенные сложность и стоимость, что обусловлено наличием в системе датчика фаз и дополнительной проводки для подключения датчика к контроллеру.
Недостатком способа определения фазы рабочего цикла ДВС является сложность аппаратной реализации, обусловленная необходимостью применения датчика фаз.
Известен способ определения фазы рабочего цикла ДВС (патент RU2170915, публ. 20.07.2001 г.), при котором производят тестовый впрыск пониженного или повышенного количества топлива в один из цилиндров двигателя, в последовательные тактах рабочего процесса ДВС измеряют и сравнивают друг с другом значения времени поворота коленчатого вала на заданный угол и определяют фазу рабочего процесса по изменению времени поворота на заданный угол по сравнению со временем, соответствующим предшествующему измерению. Недостатком этого способа является его ограниченное применение.
За прототип заявляемого способа взят способ определения фазы рабочего цикла ДВС с распределенным впрыском топлива, используемый в системе управления, снабженной датчиком фаз.
Задачей заявляемого изобретения является определение фазы рабочего цикла ДВС при отсутствии (пропадании) сигнала датчика фаз. Указанная задача решается тем, что в способе определения фазы рабочего цикла многоцилиндрового ДВС с распределенным групповым впрыском топлива, включающим измерение угловой скорости коленчатого вала, определяют среднее значение угловой скорости, отклонение угловой скорости от среднего значения и максимальное значение отклонения угловой скорости от среднего значения, производят тестовый впрыск в один из цилиндров и определяют такт рабочего хода данного цилиндра по превышению отклонения угловой скорости относительно максимального значения.
Определение такта рабочего хода может быть произведено на установившемся режиме работы ДВС. Одновременно с тестовым впрыском может быть произведен дозированный впрыск топлива в остальные цилиндры.
На режиме группового впрыска топлива во впускной тракт n-цилиндрового четырехтактного двигателя измеряют последовательность значений угловой скорости 
поворота коленчатого вала ДВС на угол Ф<=4/n (определяется экспериментально), определяют среднее значение 
av угловой скорости, определяют максимальное значение max отклонения угловой скорости от среднего значения av и производят тестовый впрыск пониженного/повышенного количества топлива в один из цилиндров ДВС. После тестового впрыска продолжают измерять значения угловой скорости поворота коленчатого вала ДВС на угол Ф и определяют значения =-av отклонения угловой скорости от среднего значения av. Сравнивают полученные значения и mах и в случае превышения av>mах определяют, что угловой сектор Ф поворота коленчатого вала, в котором отклонение угловой скорости превышает максимальное значение mах принадлежит такту рабочего хода цилиндра, для которого был произведен тестовый впрыск.
Максимальное значение max отклонения от среднего значения av определяют либо непосредственно перед тестовым впрыском, либо заранее, на этапе испытаний (калибровки) ДВС.
В первом случае, например, проводят последовательное измерение и суммирование К (определяется экспериментально) значений скорости поворота коленчатого вала ДВС на угол Ф и делят на число К, таким образом получают среднее значение av. Определяют значения =-av отклонений от среднего значения av. Определяют значение mах путем сортировки значений .
Во втором случае значение mах для каждого скоростного режима ДВС, т.е. для каждого значения av, определяют на этапе испытаний ДВС и записывают в постоянное запоминающее устройство микроЭВМ контроллера. Перед тестовым впрыском измеряют последовательность значений , определяют среднее значение av и извлекают из памяти соответствующее значение max.
Описанную процедуру определения фазы рабочего процесса производят на устанавливающемся скоростном режиме работы ДВС.
В качестве критерия установившегося рабочего процесса может служить условие ограничения нестабильности скорости вращения вала на некотором заданном уровне <ad, где ad - допустимое для установившегося режима отклонение (определяется экспериментально).
В варианте реализации предложенного способа определения фазы рабочего процесса ДВС в цикле работы ДВС, в котором производят тестовый впрыск, например, пониженного количества топлива для одного из n цилиндров, осуществляют дозированный впрыск повышенного количества топлива для остальных цилиндров. Этим можно достичь три цели:
- во-первых, избежать, хотя и небольшого, падения средней угловой скорости вращения вала двигателя в данном цикле;
- во-вторых, обеспечить сохранение среднего в рабочем цикле стехиометрического состава, оптимального для работы системы нейтрализации отработавших газов:
- в-третьих, при повторении данного тестового цикла добиться ускорения прогрева системы нейтрализации в результате присутствия в отработавших газах смеси непрореагировавших кислорода и углеводородов, реакция которых с выделением тепла происходит на катализаторе системы нейтрализации.
Напротив, в цикле работы ДВС. в котором производят тестовый впрыск повышенного количества топлива для одного из n цилиндров, осуществляют дозированный впрыск пониженного количества топлива для остальных цилиндров.
Определение фазы рабочего цикла для одного из цилиндров четырехтактного ДВС позволяет однозначно определять фазы рабочего цикла для всех остальных цилиндров ДВС, что обусловлено конструкцией ДВС. Работа четырехтактного ДВС представляет собой жесткую периодическую последовательность тактов рабочего процесса (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск), поэтому однократное определение текущей фазы работы ДВС и измерение положения коленчатого вала позволяют знать текущую фазу работы каждого цилиндра во всех последующих циклах работы до остановки ДВС.
Заявляемый способ позволяет осуществлять последовательный впрыск топлива в ДВС с сохранением эффективных показателей его работы при отказе датчика фаз (если система снабжена таким датчиком), что повышает надежность системы. Способ позволяет осуществлять последовательный впрыск топлива в ДВС при отсутствии датчика фаз в системе управления, что упрощает ее и, следовательно, повышает надежность за счет упрощения, а также снижает себестоимость системы.
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 изображена структурная схема системы управления ДВС для реализации заявляемого способа.
Фиг.2 показывает характер изменения угловой скорости 
=d
/dt коленчатого вала ДВС, где - угол поворота вала; t - текущее время.
В примере показана система управления четырехцилиндровым ДВС (n=4), но способ осуществим для двигателя с любым числом цилиндров.
На фиг.2 присутствуют следующие обозначения:
av - средняя угловая скорость поворота коленчатого вала на угол Ф<=720/4;
а - амплитудное значение пульсаций угловой скорости, вызванных пульсациями давления в цилиндрах двигателя;
+ - изменение амплитудного значения угловой скорости, вызванного тестовым впрыском с увеличенным количеством топлива;
- - изменение амплитудного значения угловой скорости, вызванного тестовым впрыском с уменьшенным количеством топлива.
Фиг.2 не учитывает нестабильностей рабочего процесса, чтобы не усложнять описание. Обработка информации о работе реального ДВС требует экспериментального определения пороговых калибровочных констант, зависящих от особенностей конструкции и режима работы ДВС.
Заявляемый способ может быть реализован в системе управления ДВС (см. фиг.1), включающей в себя контроллер 1, выполненный на базе микроЭВМ, датчик 2 углового положения коленчатого вала, подключенный ко входу контроллера 1, и топливные форсунки 3, подключенные к выходам контроллера 1.
Система также может содержать другие датчики режима работы ДВС, такие как датчик 4 расхода воздуха, датчик 5 положения дроссельной заслонки, датчик 6 температуры охлаждающей жидкости и т.п., подключенные к соответствующим входам контроллера 1.
Датчик 2 может быть выполнен, например, в виде магнитоиндукционного чувствительного элемента, размещенного над зубчатым диском из ферромагнитного материала, жестко закрепленным на коленчатом валу ДВС и имеющим 60-2 зуба, положение пропущенных зубьев относительно ВМТ определено.
Для реализации способа выполняют следующие действия.
В режиме прокрутки двигателя при помощи стартера (пусковой режим) датчиком 2 углового положения коленчатого вала генерируют электрические импульсы, которые позволяют точно определять угловое положение вала относительно верхней мертвой точки (ВМТ).
Контроллером 1 системы управления по сигналу датчика 2 определяют текущее положение коленчатого вала ДВС относительно ВМТ.
Используя сигналы датчика 2 (4, 5, 6), контроллером 1 производят попарно-параллельное (групповое) управление впрыском топлива посредством открытия форсунок 3 соответствующих пар (1-4 и 3-2) цилиндров в определенном угловом положении коленчатого вала.
Контроллером 1 производят последовательность измерений угловой скорости поворота коленчатого вала двигателя на угол Ф.
При достижении коленчатым валом ДВС определенной величины угловой скорости вращения делают вывод об окончании пускового режима.
Определяют значение max. Для этого производят нахождение максимального из значений отклонения от среднего av методом сортировки. Найденное максимальное значение отклонения могут корректировать, например, путем умножения на определенный эмпирически коэффициент.
Записывают значение mах в память микроЭВМ контроллера 1.
В варианте осуществления изобретения могут рассчитывать величину av отклонение от av, и проверять по выполнению условия <ad, является ли режим работы ДВС установившимся.
Проводят тестовый впрыск пониженного или повышенного количества топлива в один из цилиндров, например, в первый цилиндр ДВС.
В варианте осуществления заявляемого способа могут также проводить измененную подачу топлива в остальные цилиндры в цикле работы ДВС с тестовым впрыском. Причем, если тестовый впрыск топлива для первого цилиндра осуществляют увеличенным, то для остальных цилиндров проводят впрыск уменьшенного количества топлива, и наоборот, тестовый впрыск уменьшенного количества топлива для первого цилиндра сопровождают увеличенной подачей топлива для остальных цилиндров.
После тестового впрыска контроллером 1 продолжают измерение угловой скорости , определение отклонения и сравнение последнего с max, записанным в память микроЭВМ контроллера 1.
После тестового впрыска производят сравнение с mах в угловых секторах Ф до тех пор. пока не выполнится условие >mах.
Определяют, как рабочий ход первого цилиндра, такт работы ДВС, которому принадлежит угловой сектор Ф поворота коленчатого вала, отклонение угловой скорости, на котором >mах.
Определяют фазу рабочего процесса ДВС.
Для повышения достоверности определения фазы рабочего цикла ДВС описанная выше процедура может быть повторена несколько раз.
После этого контроллером осуществляют последовательный впрыск топлива, при котором форсунки включаются в соответствии с порядком работы цилиндров ДВС. Впрыск топлива для каждого цилиндра производят в определенной фазе рабочего процесса, например, для ДВС автомобиля ВАЗ-2112 впрыск топлива осуществляют на закрытый впускной клапан перед началом такта впуска. Фазу и продолжительность впрыска рассчитывают контроллером по результатам измерения параметров режима работы ДВС.
Предложенная последовательность действий позволяет определить фазу рабочего процесса ДВС без обработки сигнала датчика фаз. Это упрощает структуру и стоимость системы управления ДВС и повышает ее надежность.
Литература
1. Автомобили ВАЗ-21083, ВАЗ-21093, ВАЗ-21099, ВАЗ-21102, ВАЗ-2111. Система управления двигателем ВАЗ-2111 (1,5 л) с распределенным впрыском топлива. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. - М.: "Ливр", 1998 г., стр. 11.
2. Система управления двигателями ВАЗ-2111 и ВАЗ-2112 (1,5 л) с распределенным впрыском топлива. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. - М.: "Третий Рим", 1999 г., стр. 15 и 16.
3. Там же, стр.158 и 159.
Формула изобретения
1. Способ определения фазы рабочего цикла многоцилиндрового ДВС с распределенным групповым впрыском топлива, включающий измерение угловой скорости коленчатого вала, отличающийся тем, что определяют среднее значение угловой скорости, отклонение угловой скорости от среднего значения и максимальное значение отклонения угловой скорости от среднего значения, производят тестовый впрыск в один из цилиндров и определяют такт рабочего хода данного цилиндра по превышению отклонения угловой скорости относительно максимального значения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение такта рабочего хода производят на установившемся режиме работы ДВС.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с тестовым впрыском производят дозированный впрыск топлива в остальные цилиндры ДВС.
РИСУНКИ
www.findpatent.ru
