чем обеспечивается своевременное открытие и закрытие клапанов
Настройка VVTi, теория, Ч. 1 — опережение и задержка впуска.
Пока я пребываю в командировке под ЕКБ на моей «Любимой» АЭС и доступа к настройкам своего «корча» не имею, решил разобраться в теории
Кстати, может хоть на этот раз, в эту субботу кому нибудь из ЕКБ будет скучно, захочется потусить, пообщаться или показать свой город, думаю что я смогу добраться до ЕКБ на маршрутке. Так-то один побаиваюсь, не пускают меня в ваши рестораны, говорят в кроссовках найк нельзя… А вдруг, чем черт не шутит, например не лень доехать до белоярского водохранилища и пожарить на его берегу радиоактивный шашлычок?(шучу конечно, в городе Заречный уровень фоновой радиации похоже ниже чем в МСК).
Поскольку теперь я могу настраивать фазы газораспределения, стоит разобраться, как и зачем их вообще настраивать. Какой эффект от позднего завершения впуска, или всем известной продувки? Я не претендую на лавры первооткрывателя, но то, что есть в интернетах и книгах, часто сводится или к практическим рекомендациям без объяснения сути процесса, или к длинным формульным выкладкам, на понимание которых уходит много времени.
Сразу хочу предупредить, что картинок почти не будет – художник во мне умер в конвульсиях а уроках ИЗО 20 лет назад, и нарисовать в картинках сложные процессы я не могу. Рекомендую для начала посмотреть обучаеющее видео от Toyota по работе системы ввти, видео достаточно адекватное, но а мой взгляд присутствуют проблемы перевода, да и не все факты освещены должным образом.
Итак, что же такое распредвалы, и чем они занимаются? Распредвал отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Распредвалы бывают гоношные с широкой фазой, большим подьемом, сдвинутые по фазе ИТД. Не хотелось бы про это писать, много инфы есть в сети, причем довольно грамотной. Меня все это волнует скорее с точки зрения настройки VVTI в различных режимах работы двигателя, в том числе под наддувом. Поэтому, с вашего позволения, я буду рассуждать только о 16 клапанном грм с фиксированной фазой выхлопа и изменяемой фазой впуска.
Рассмотрим процессы в камере сгорания. Если не учитывать инерцию движения газов, в идеальном двигателе выпуск должен заканчиваться в ВМТ, впуск должен начинаться в ВМТ и заканчиваться в НМТ. В реальности же мы имеем дело с явлением, которое можно назвать задержкой впуска. Из-за инерции топливовоздушной смеси наполнение цилиндра начинается позднее открытия впускного клапана. Равно как и при закрытии выпускного клапана не все отработанные газы покидают цилиндр. И чем больше скорость движения поршня (меньше времени на наполнение цилиндра ТВС), тем больше задержка впуска по отношению к общему времени всасывания.
Для начала разберемся, как нам теоретически улучшить время наполнения с учетом волновых процессов в каналах. Как мы уже выяснили, газы обладают определенной инерцией и энергией, при открытии впускного клапана и движении поршня вниз ТВС не может мгновенно приобрести скорость. Впуск не успевает за движением цилиндра, а в момент движения поршня вверх после НМТ при открытом впускном клапане ТВС будет продолжать поступать в цилиндр и закончит поступать через некоторое время после того, как давление в цилиндре и коллекторе сравняется. Чем больше обороты двигателя, тем больше задержка впуска по отношению к длительности впуска. Тем позже относительно момента открытия клапана смесь начинает поступать в цилиндр. Отложим открытие впускного клапана и пока перейдем к закрытию ВПУСКНОГО клапана. В НМТ в процессе впуска ТВС имеет инерцию (те кинетическую энергию), и она тем больше, чем больше скорость движения поршня (те движения ТВС). Если впускной клапан оставить открытым ПОСЛЕ НМТ, то в определенный момент давление в цилиндре и коллекторе сравняется. Но, благодаря инерции, ТВС будет продолжать поступать в цилиндр еще какое то время, утрамбовываясь и доставляя свежий топливный заряд. Вполне логично, что кинетическая энергия газов не бесконечна, и в определенный момент она закончится. Напоминаю, что чем больше скорость ТВС, тем больше энергия и тем позже этот момент наступит. Если же впускной клапан закрыть раньше этого момента, то в цилиндр не поступит максимальное количество смеси, которое он может вместить, если закрыть его позже, то часть смеси выдавит обратно в коллектор, что также приведет к недозаряду цилиндра свежей ТВС. Отсюда первое правило:
Чем больше обороты двигателя, тем позже надо закрывать впускной клапан для увеличения наполнения.
С закрытием впускного клапана разобрались, это достаточно просто, теперь перейдем к открытию впускного клапана. Тут все несколько сложнее. Логично открывать впускной клапан раньше ВМТ, чтобы к моменту всасывания (движения поршня вниз) ТВС уже имела определенную инерцию, и процесс наполнения начался как можно раньше. Но не стоит забывать, что перед тактом впуска идет такт выпуска, в котором также присутствует инерция газов. К началу такта ВЫПУСКА мы вернемся чуть позже и в ознакомительном режиме. Если закрыть ВЫПУСКНОЙ клапан раньше ВМТ, часть отработанных газов останется в цилиндре, заняв полезный обьем, который мог бы быть заполнен свежей ТВС. Газы хорошо бы удалить из камеры, и тут нам на помощь приходит мифическая, любимая всеми продувка.
Суть процесса такова: Впускной клапан открыт раньше ВМТ, выхлопные газы имеют большую кинетическую энергию к концу выпуска (достаточно разогнаны поршнем при выталкивании), вЫпускной клапан открыт, благодаря большой кинетической энергии, выпускные газы создают разрежение в камере сгорания (нет желания останавливаться на волновых процессах, которые в доступной форме описаны в этих ваших интернетах). Благодаря этому разряжению, создаваемому до ВМТ, в цилиндр всасывается ТВС из открытого впускного клапана, то есть впуск начинается раньше. Тут следует учесть, что при маленьких оборотах скорость движения поршня низкая и энергия газов тоже. Также стоит учесть давление во впускном коллекторе, чем оно ниже, тем больше сопротивление всасыванию, и тем меньше ТВС попадет в цилиндр во время продувки. Например на ХХ, при низком давлении и низкой инерции выпускных газов в случае большого перекрытия выхлопные газы будет засасывать в коллектор, и, благодаря низким оборотам, начнутся перебои в работе двигателя.
Также стоит избегать перепродувки, тк при длительной продувке может случиться неприятность – бОльшее чем нужно количество ТВС засосет в выхлоп, это чревато повышением расхода и, возможно, повышением ЕГТ, поскольку свежая ТВС вполне может гореть в коллекторе, если по каким либо причинам выхлопные газы в том самом коллекторе догорают.
Подводим итог:
Для увеличения наполнения цилиндра а большой нагрузке (давление в коллекторе от 0 бар и выше) с ростом оборотов стоит делать открытие впускного клапана ранним.
Нюансы продувки.
В идеальном случае при продувке давление в выпускном коллекторе должно быть ниже давления во впуске (естественно только во время продувки, под самый конец выхлопа). Лучшей продувкой обладает двигатель с приводным компрессором, который создает давление во впуске выше атмосферного, при этом давление в выпускном коллекторе в момент продувки не сильно превышает атмосферное (но при этом существенно ниже давления во впуске. Худшая продувка у двигателя с турбокомпрессором — турбина является причиной повышения давления. Но, если верить прочитанным книгам с кучей сложных формул, в момент продувки давление в выпуске все же меньше давления на впуске. В этом случае для эффективной продувки нужно больше времени.
Теперь о форме и размере выпускного коллектора. Узкие и длинные раннеры увеличивают скорость выхлопных газов, как следствие и кинетическую энергию. Но при большом расходе через них увеличивается сопротивление потоку газов, а равно и температура ЕГТ. Таким образом, широкие и короткие раннеры дадут наилучшую продувку на больших расходах, соответственно точка максимального момента сдвинется выше по оборотам.
Подводим итоги первой теоретической части.
Для обеспечения максимального наполнения на большой нагрузке, с увеличением оборотов закрывать впускные клапаны нужно позже, а открывать впускные клапаны нужно раньше, при этом, для максимально эффективной работы продувки хорошо бы еще и изменять длину и сечение коллекторов. Сделать это не так просто, поэтому инженеры идут на жертвы. Об этом я расскажу в следующей части повествования.
Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов. Он включает в себя элементы привода, распределительную шестер
Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов. Он включает в себя элементы привода, распределительную шестерню, распределительный вал, детали привода клапанов, клапана с пружинами и направляющие втулки.
Распределительный вал служит для открытия клапанов в определенной последовательности в соответствии с порядком работы двигателя. Распредвалы отливают из специального чугуна или отковывают из стали. Трущиеся поверхности распределительных валов для уменьшения износа подвергнуты закалке при помощи нагрева токами высокой частоты.
Распредвал может располагаться в картере двигателя либо в головке блока цилиндров. Существуют двигатели с двумя распредвалами в головке цилиндров (в многоклапанных ДВС). Один используется для управления впускными клапанами, второй – выпускными. Такая конструкция называется DOHC (Double Overhead Camshaft). Если распредвал один, то такой ГРМ именуется SOHC (Single OverHead Camshaft). Распредвал вращается на цилиндрических шлифованных опорных шейках.
Привод клапанов осуществляется расположенными на распределительном валу кулачками. Количество кулачков зависит от числа клапанов. В разных конструкциях двигателей может быть от двух до пяти клапанов на цилиндр (3 клапана – два впускных, один выпускной; 4 клапана – два впускных, два выпускных; 5 клапанов – три впускных, два выпускных). Форма кулачков определяет моменты открытия и закрытия клапанов, а также высоту их подъема.
Привод распределительного вала от коленчатого вала может осуществляться одним из трех способов: ременной передачей, цепной передачей, а при нижнем расположении распредвала — зубчатыми шестернями. Цепной привод отличается надежностью, но его устройство сложнее и цена выше. Ременной привод существенно проще, но ресурс зубчатого ремня ограничен, а в случае его разрыва могут наступить тяжелые последствия.
При обрыве ремня распредвал останавливается, а коленвал продолжает вращаться. Чем это грозит? В простых двухклапанных моторах, где, как правило, поршень конструктивно не достает до головки открытого клапана, ремонт ограничивается заменой ремня. В современных многоклапанных двигателях при обрыве ремня поршни ударяются о клапана, «зависшие» в открытом состоянии. В результате сгибаются стержни клапанов, а также могут разрушиться направляющие втулки клапанов. В редких случаях разрушается поршень.
Еще тяжелее при обрыве ремня приходится дизелям. Так как камера сгорания у них находится в поршнях, то в ВМТ у клапанов остается очень мало места. Поэтому при зависании открытого клапана разрушаются толкатели, распредвал и его подшипники, велика вероятность деформирования шатунов. А если обрыв ремня произойдет на высоких оборотах, возможно даже повреждение блока цилиндров.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя происходит за два оборота коленвала. За это время должны последовательно открыться впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра. Поэтому распредвал должен вращаться в два раза медленнее коленвала, а, следовательно, шестерня распредвала всегда в два раза больше шестерни коленвала. Клапаны в цилиндрах должны открываться и закрываться в зависимости от направления движения и положения поршней в цилиндре. При такте впуска, когда поршень движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан должен быть открыт, а при тактах сжатия, рабочего хода и выпуска – закрыт. Чтобы обеспечить такую зависимость, для правильной установки на шестернях ГРМ делают метки.
Привод клапанов может осуществляться разными способами. При нижнем расположении распредвала, в картере двигателя, усилие от кулачков передается через толкатели, штанги и коромысла. При верхнем расположении возможны три варианта: привод коромыслами, привод рычагами и привод толкателями.
Коромысла (другие названия – роликовый рычаг или рокер) изготавливают из стали. Коромысло устанавливают на полую ось, закрепленную в стойках на головке цилиндров. Одной стороной коромысла упираются в кулачки распредвала, а другой воздействуют на торцевую часть стержня клапана. В отверстие коромысла для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку. От продольного перемещения коромысло удерживается при помощи цилиндрической пружины. Во время работы двигателя в связи с нагревом клапанов их стержни удлиняются, что может привести к неплотной посадке клапана в седло. Поэтому между стержнем клапана и носком коромысла должен быть определенный тепловой зазор.
Во втором варианте распредвал располагается над клапанами, и приводит их в действие посредством рычагов. Кулачки распределительного вала действуют на рычаги, которые, поворачиваясь на сферической головке регулировочного болта, другим концом нажимают на стержень клапана и открывают его. Регулировочный болт ввернут во втулку головки цилиндров и стопорится контргайкой. Существуют ГРМ, в которых между рычагом и клапаном устанавливается гидрокомпенсатор. Такие механизмы не требуют регулировки зазора.
И, наконец, при третьем варианте привода распределительный вал при вращении воздействует непосредственно на толкатель клапана. Существует три варианта исполнения толкателей – механические (жесткие), гидротолкатели (гидрокомпенсаторы) и роликовые толкатели. Первый тип в современных моторах практически не используется, в связи с большой шумностью работы и необходимостью частой регулировки зазора клапанов. Второй тип наиболее широко применяется, так как не требует настройки и регулировки теплового зазора, а работа отличается мягкостью и гораздо меньшим шумом. Гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Работа гидрокомпенсатора основана на свойстве несжимаемости моторного масла, которое постоянно заполняет его внутреннюю полость и перемещает поршень при появлении зазора в приводе клапана.
Роликовые толкатели чаще всего применяются в спортивных и форсированных двигателях, так как позволяют улучшить динамические характеристики автомобиля за счет снижения трения. В месте контакта с кулачком распредвала у них находится ролик. Поэтому кулачок не трется, а катится по толкателю. Вследствие этого роликовые толкатели выдерживают более высокие нагрузки и обороты, а также позволяют обеспечить более высокий подъем клапанов. Недостатки – большая стоимость и вес, а, значит, и большие нагрузки на детали ГРМ.
Клапаны служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов. Клапан состоит из головки и стержня. Головка клапана имеет узкую, скошенную под определенным углом, фаску. Фаска клапана должна плотно прилегать к фаске седла. Для этой цели их взаимно притирают. Головки впускных и выпускных клапанов имеют неодинаковый диаметр. Для лучшего наполнения цилиндров свежей горючей смесью диаметр головки впускного клапана делают больше. Клапаны во время работы двигателя нагреваются неодинаково. Выпускные клапаны, контактирующие с отработанными газами, нагреваются больше. Поэтому их изготавливают из жароупорной стали.
Стержень клапана цилиндрической формы в верхней части имеет выточку для деталей крепления клапанной пружины. Стержень выпускного клапана — полый, с натриевым наполнением для лучшего охлаждения. Стержни клапанов помещают в направляющих втулках, изготовленных из чугуна или металлокерамики. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.
Клапан прижимается к седлу при помощи цилиндрической стальной пружины. Кроме того, пружина не дает возможности клапану отрываться от коромысла. Пружина имеет переменный шаг витков, что необходимо для устранения ее вибрации. Другой вариант борьбы с вибрацией — установка двух пружин меньшей жесткости, имеющих противоположную навивку. Пружина одной стороной упирается в шайбу, расположенную на головке цилиндров, а другой – в упорную тарелку. Упорная тарелка удерживается на стержне клапана при помощи двух конических сухарей, внутренний буртик которых входит в выточку стержня клапана. Для уменьшения проникновения масла по стержням клапанов в камеру сгорания двигателя на стержни клапанов надеты маслоотражательные колпачки.
В теории открытие и закрытие клапанов должно происходить в моменты прихода поршня в мертвые точки. Однако в связи инерционностью процесса, особенно при больших оборотах коленвала, этого периода времени недостаточно для впуска свежей смеси и выпуска отработанных газов. Поэтому впускной клапан открывается до прихода поршня в в.м.т. в конце такта выпуска, т.е. с опережением в пределах 9-24 градусов поворота коленчатого вала, а закрывается в начале такта сжатия, когда коленвал пройдет положение н.м.т на 51-64 градусов. Таким образом, продолжительность открытия впускного клапана составит 240-270 градусов поворота коленчатого вала, что значительно увеличивает количество поступаемой в цилиндры горючей смеси.
Выпускной клапан открывается за 44-57 градусов до прихода поршня в н.м.т. в конце рабочего хода и закрывается после прихода поршня в в.м.т. такта выпуска на 13-27 градусов. Продолжительность открытия выпускного клапана составляет 240-260 градусов поворота коленчатого вала.
В двигателе бывают моменты (в конце такта выпуска и начале такта впуска) когда оба клапаны открыты. В это время происходит продувка цилиндров свежим зарядом горючей смеси для лучшей их очистки от продуктов сгорания. Этот период носит название перекрытие клапанов.
Моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженных в градусах поворота коленчатого вала, называются фазами газораспределения.
🔎 Основные неисправности газораспределительного механизма
Внешними признаками неисправности ГРМ являются: уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, падение мощности двигателя и металлические стуки.
Уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, а также падение мощности двигателя возможно вследствие плохого прилегания клапанов к седлам. Плохое прилегание клапана к седлу происходит вследствие отложения нагара на клапанах и седлах, образования раковин на рабочих поверхностях, коробления головок клапанов, поломки клапанных пружин, заедания стержня клапана в направляющей втулке, а также отсутствия зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом).
Падение мощности двигателя и резкие металлические стуки могут происходить вследствие неполного открытия клапанов. Эта неисправность возникает из-за большого теплового зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом) или отказа гидрокомпенсаторов.
К неисправностям ГРМ также относят износ шестерен распредвала и коленвала, направляющих втулок клапанов, втулок и осей коромысел, а также увеличенное осевое смещение распредвала.
Всем спасибо, что прочитали статью. Используйте полученные данные в обслуживании автомобиля. Удачи на дорогах. 👍
Современные системы управления фазами ГРМ
Фаза газораспределения непосредственно определяет эффективность работы двигателя внутреннего сгорания. Фаза ГРМ означает своевременное открытие и закрытие клапанов, а также время клапанов в открытом состоянии.
До момента появления фазовращателей, на всех моторах кулачок распределительного вала непосредственно воздействовал на клапан, и определял время открытия клапанов, время, при котором клапан открыт, а также высоту подъема клапана. Отмечу, что движение топливовоздушной смеси и отработанных газов отличается в зависимости от типа режима работы мотора. Этот параметр определяет эффективность работы двигателя.
При наличии фиксированной фазы газораспределительного механизма, перед конструкторами силовых агрегатов стоит серьезная задача — сделать двигатель таким образом, чтобы в режиме минимальных и средних оборотов сохранялся крутящий момент ближе к пиковому значению, а при достижении максимальных оборотов, полка крутящего момента не упала резко. Ко всему прочему, нужно сохранить эластичность в переходных режимах, а также стабильный холостой ход. Фиксированная фаза не дает возможность охватить все режимы работы двигателя с одинаковой эффективностью, поэтому была придумана система изменения фаз ГРМ.
Система регулировки фаз позволяет в динамическом режиме изменять значения фаз, в зависимости от степени нагрузки двигателя и оборотов. Тем самым, распределительные валы смещаются в фазах, а полка крутящего момента выравнивается. Благодаря фазовращателям можно на ходу корректировать время открытия и закрытия клапанов, время перекрытия, высота подъема клапанов. Фазы газораспределения управляют моментом тактов двигателя, смещая момент фазы в ту, или иную сторону.
Что дает фазовращатель
Максимальная величина КПД на атмосферных моторах во многом зависит от фаз ГРМ. Например: в режиме холостого хода требуется максимально узкая фаза, которая означает более позднее открытие впускного или максимально раннее открытие выпускного клапана. В данном случае перекрытие клапанов исключено, когда оба клапана открыты, ведь малое количество оборотов коленвала позволяет выхлопным газам попасть во впускной коллектор, а топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор.
В режиме максимальной мощности требуется большое количество топливно воздушной смеси. Так как коленвал двигается намного быстрее, то времени на открытие клапанов остается крайне мало, отчего на некоторых моторах клапана не успевают закрываться, и “зависают”, встречаясь с поршнем.
Фазовращатель, для максимального наполнения, позволяет раньше открыть клапан, а также увеличить время его открытия, что называется “расширить фазу”. Тем самым, расширяется фаза перекрытия для обеспечения качественной продувки цилиндра.
Кулачок распредвала имеет такую форму, которая обеспечивает широкую и узкую фазу. Проблема фиксированной фазы заключается в невозможности одновременного обеспечения узкой и широкой фазы. Это говорит о том, что инженеры подобрали форму кулачка таким образом, чтобы обеспечить баланс между максимальным крутящим моментом на средних оборотах, и максимальной мощности на высоких оборотах.
Фазовращатель же обеспечивает гибкость, позволяющую подстраивать фазы под конкретный режим работы мотора, а итог такого действия — достижение крутящего момента в необходимом диапазоне оборотов и топливная экономичность.
Какие бывают виды фазовращателей
Гидроуправляемая муфта системы фазовращателя
Ступенчатое изменение фаз газораспределения
Посредством эволюции в моторостроении, инженерам удалось эффективно настраивает расширение и сужение фаз. Подобное решение основывается на ступенчатом исполнении кулачков. Система изменения формы кулачков применяется в моторах Honda (VTEC), Mitsubishi (MIVEC) и Toyota (VVTL-i).
Вышеуказанные системы одинаковы по принципу действия, а именно: распределительный вал здесь имеет два кулачка малой формы и один кулачок большого диаметра. Маленькие кулачки сообщаются с клапаном через рокера, а большой кулачок отвечает за движение незадействующего коромысла.
Эта система, в зависимости от режима работы мотора, позволяет переключаться между большим и малым кулачком, изменяя фазу ГРМ. Эластичность переходного режима обеспечивается гидравлическим блокирующим устройством.
При работе на малых оборотах и холостом ходу задействованы малые кулачки с узкой фазой, а при повышении нагрузки задействован широкофазный большой кулачок.
Система регулировки подъема клапана
Новатором этой технологии в 2001 году стала компания BMW с системой Valvetronic. Эта система позволила отказаться от дроссельной заслонки, а количество впускного воздуха определять высотой подъема клапана. Однако, дроссельная заслонка на двигателе присутствует но она все время открыта.
Лучшее решение от образования разряжения — это открытие клапана тогда, когда требуется максимальное наполнение цилиндра смесью. Время открытия клапана зависит от степени нажатия на педаль газа. Valvetronic позволяет экономить до 15% топлива, а также повысить мощность на 10% относительно мотора с таким же объемом.
Данная система имеет в конструкции вал-эксцентрик и промежуточный вал. Эксцентриковый вал вращается при помощи электродвигателя с червячной передачей. Вращение вала воздействует на промежуточный рычаг, который меняя свое положение, заставляет двигаться коромысло в заданном положении, согласно режиму работы ДВС.
Система работает постоянно, в зависимости от режима работы мотор, диапазон подъема клапана может варьироваться от 0,2 до 12 мм.
Современные системы фазовращателей направлены на достижение максимального КПД двигателя от своевременного смещения фазы ГРМ и нужного подъема клапана. Любая из вышеуказанных систем представляет собой сложную конструкцию, которая требует вмешательства в виде обслуживания и ремонта, как минимум раз в 150 000 км.