Для чего необходимо опережение открытия и запаздывание закрытия выпускного клапана

Устройство автомобилей

Фазы газораспределения

При рассмотрении рабочих циклов поршневых двигателей условно принималось, что открытие и закрытие клапанов происходит в момент нахождения поршня в верхней или нижней мертвой точке (ВМТ или НМТ).
В действительности, при работе реальных двигателей, клапаны открываются с опережением и закрываются с запаздыванием относительно мертвых точек, за счет чего достигается значительное улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом и эффективное удаление из них отработавших газов.

Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленчатого вала по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов, называются фазами газораспределения.

В двигателях без наддува впускной клапан открывается за 10…30˚ поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ и закрывается через 50…80˚ после прохождения поршнем НМТ. Выпускной клапан открывается за 40…70˚ до НМТ и закрывается после прохождения поршнем ВМТ через 10…50˚ поворота коленчатого вала. Чем быстроходнее двигатель, тем больше значение этих углов (шире фазы газораспределения).

Открытое состояние впускного клапана в начале такта сжатия обеспечивает продолжение наполнения цилиндра из-за инерции свежего заряда и разности давления окружающей среды и давления в цилиндре в начале сжатия. Опережение открытия впускного клапана рассчитывают так, чтобы к моменту прихода поршня в ВМТ клапан был уже открыт.

Предварение открытия выпускного клапана до прихода поршня в нижнюю мертвую точку (НМТ) обеспечивает очистку цилиндра на начальном этапе вследствие избыточного давления в цилиндре, поэтому работа поршня по выталкиванию газов при такте выпуска значительно уменьшается, что способствует повышению мощности двигателя.

Так как впускной клапан открывается в конце выпуска, а выпускной закрывается в начале впуска, то возникает период времени, когда оба клапана одновременно открыты. Этот период называется перекрытием клапанов. В двигателях с наддувом эти углы увеличивают.
Во время перекрытия клапанов, когда одновременно в цилиндр поступает свежий заряд, а через выпускной клапан удаляются отработавшие газы, происходит продувка цилиндров, которая улучшает газообмен. Очевидно, что наддув эффективен для дизельных двигателей, поскольку продувка цилиндров в них осуществляется чистым воздухом, а не рабочей смесью, как в карбюраторных двигателях.

Диаграмма фаз газораспределения показана на рис. 1.

Фазы газораспределения зависят от профиля кулачка распределительного вала и взаимного расположения кулачков. Если профили впускных и впускных кулачков одинаковы, то продолжительность открытого состояния клапанов тоже будет одинакова.

Изменяемые фазы газораспределения

В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах и при любых режимах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования для каждого конкретного режима.

Для примера рассмотрим, какие требования к газораспределению предъявляет двигатель при различных условиях нагрузки и работы.

Режим холостого хода

На этом режиме работы следует устанавливать такой угол поворота распределительного вала, который соответствует самому позднему началу открытия впускных клапанов (максимальный угол задержки, при минимальном перекрытии клапанов). Этим обеспечивается минимальное поступление отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя и снижение расхода топлива.

Режим низких нагрузок

При работе в режиме низких нагрузок перекрытие клапанов необходимо уменьшить для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.

Режим средних нагрузок

В этом режиме необходимо увеличить перекрытие клапанов, что позволит снизить «насосные» потери. При этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет повысить температуру рабочего цикла сжатия и уменьшить ее в процессе такта сгорания (рабочего хода), что, в свою очередь, приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах и повышению температурного КПД двигателя.

Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала

На этом режиме должно обеспечиваться раннее закрытие впускных клапанов, чтобы обеспечить увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно при движении в городском транспортном потоке.

Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала

Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо обеспечить перекрытие клапанов около ВМТ с большим углом поворота коленчатого вала. Это связано с тем, что мощность в наибольшей степени зависит от максимально возможного количества топливно-воздушной смеси, попадающей в цилиндр за короткое время, но, чем выше частота вращения, тем меньше время, отводимое на заполнение цилиндра.

Приведенный выше анализ показывает, что механизм газораспределения должен чутко подстраиваться под конкретные условия работы двигателя, чтобы обеспечить наиболее эффективное выполнение двигателем своих функций. Очевидно, что газораспределительный механизм должен уметь изменять фазы газораспределения в зависимости от режима работы двигателя.

Осознание конструкторами необходимости применения «гибких» ГРМ, способных изменять фазы газораспределения в следящем режиме в зависимости от условий работы двигателя привело к созданию различных систем и технических решений, позволивших воплотить эту идею в жизнь.

Основными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

Впервые изменение фаз газораспределения было применено на автомобилях Альфа Ромео в 1983 году. После этого такие системы стали применяться на автомобилях Мерседес, Ниссан, БМВ, Порше и др.
В 90-е годы все больше и больше двигателей стали оборудоваться системами изменения фаз газораспределения таким образом, что угол перекрытия клапанов мог изменяться в соответствии с режимами работы двигателя. В этих системах, применяемых на двигателях DOHC (с двумя распределительными валами), монтировалось специальное устройство в приводную шестерню распределительного вала впускных клапанов. Такие устройства называют изменяемыми фазами газораспределения VIVT (Variable inlet valve timing).

В связи с все более повышающимися требованиями к уменьшению выбросов токсичных веществ с отработавшими газами в настоящее время разработаны устройства, которые могут изменять фазы газораспределения во всем диапазоне возможной частоты вращения коленчатого вала двигателя, как для впускных, так и для выпускных клапанов, что позволяет регулировать количество остаточных отработавших газов в камере сгорания.
Бесступенчатое изменение фаз газораспределения позволяет, также, улучшить работу двигателя на холостом ходу и полных нагрузках, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности.

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.

В настоящее время системы непрерывного изменения фаз газораспределения применяются на двигателях Ауди, Фольксваген, Тойота, Рено, Вольво и др.

В последнее время механический привод управления скоростью и высотой подъема клапанов все чаще вытесняет электромагнитный привод, как более чуткий к сигналам управляющих устройств.
Высоту, время и скорость подъёма клапана в этом случае можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника, в соответствии с заданной программой, может периодически не открывать «ненужные» клапаны, или вовсе отключать цилиндры от газообмена. Делается это в целях экономии, например, на холостом ходу или при торможении двигателем.

Работа инженеров и конструкторов по оптимизации и совершенствованию систем газораспределения двигателей внутреннего сгорания ведется непрерывно, чтобы полностью использовать потенциал увеличения динамических и скоростных характеристик двигателей, их экономичности и экологической безопасности.

Источник

Что дает опережение открытия выпускного клапана

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Опережение — открытие

Большие углы опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов необходимы для увеличения периода открытого положения клапанов и объясняются тем, что при высоком числе оборотов коленчатого вала время, приходящееся на каждый такт, очень мало и, следовательно, цилиндр не успевает очищаться от отработавших газов в период такта выпуска и заполняться горючей смесью в период такта впуска. [16]

Величина угла опережения открытия впускного клапана составляет 10 — 20 поворота коленчатого вала до прихода поршня в в. [17]

Для чего необходимо опережение открытия и запаздывание закрытия клапанов. [18]

Чем объясняется необходимость опережения открытия выпускного клапана и какова величина угла опережения. [20]

Кроме этого, запаздывание закрытия выпускного клапана и опережение открытия впускного клапана необходимы для того, чтобы в конце такта выпуска и начале такта впуска проходные сечения клапанов не были слишком малыми, так как закрытие и открытие клапанов происходят относительно медленно. [23]

Таким образом, время открытия впускного клапана, учитывая опережение открытия и запаздывание закрытия, значительно больше 180 поворота коленчатого вала, в течение которого происходит такт впуска. Этим и достигается улучшение заполнения цилиндров горючей смесью или воздухом. [24]

Почему необходимо опережение открытия и запаздывание закрытия впускного клапана и какова величина угла опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов. [25]

Фазы газораспределения двигателей; данные по углу поворота коленчатого вала, приведены в табл. 38, где введены следующие обозначения углов: а — опережения открытия впускного клапана ; Р — запаздывания закрытия выпускного клапана; f — опережения открытия выпускного клапана; 8 — запаздывания закрытия выпускного клапана; ср — открытого состояния впускного клапана; — открытого состояния выпускного клапана. [27]

Устранение потерь мощности может быть достигнуто путем неполного заполнения гидравлических цилиндров рабочей жидкостью и тем самым устранением сброса масла в конце каждого рабочего хода, что возможно при опережении открытия последующего цилиндра по отношению к закрытию предшествующего. Опережение достигается путем определенного размерного соотношения между длиной питающей распределительной полости золотника и шаговым расстоянием между каналами смежных цилиндров ( фиг. Необходимо лишь, чтобы длина питающей полости была больше расстояния между каналами, питающими смежные цилиндры. [28]

Фазы газораспределения двигателей; данные по углу поворота коленчатого вала, приведены в табл. 38, где введены следующие обозначения углов: а — опережения открытия впускного клапана; Р — запаздывания закрытия выпускного клапана; f — опережения открытия выпускного клапана ; 8 — запаздывания закрытия выпускного клапана; ср — открытого состояния впускного клапана; — открытого состояния выпускного клапана. [29]

Инерция потока во впускном трубопроводе способствует поступлению смеси в цилиндр в начальный момент впуска. Опережение открытия впускного и запаздывание закрытия выпускного клапанов приводит к так называемому перекрытию клапанов возле в. При работе двигателя с большим числом оборотов возможность проникновения отработавших газов во впускной трубопровод ничтожна, так как инерция газового потока направлена в сторону выпускного клапана. Происходит лишь некоторое отсасывание через выпускной клапан начинающей поступать в цилиндр свежей смеси, что улучшает очистку цилиндра. [30]

Что достигают применением устройства для изменения фаз газораспределения при изменении режима работы двигателя?

Главными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

— улучшение качества работы двигателя на холостом ходу;

— оптимизация крутящего момента в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала;

— увеличение внутренней рециркуляции отработавших газов с сопутствующим ей снижением температуры газов при сгорании и уменьшением выброса оксидов азота;

— увеличение мощности в области высоких частот вращения коленчатого вала.

19. Что дает опережение открытия выпускного клапана?

Выпускной кулачок должен открывать клапан достаточно рано, чтобы цилиндр успел очиститься от продуктов сгорания. При позднем открытии оставшиеся в цилиндре несгоревшие газы будут смешиваться с поступающей свежей смесью; раннее открытие может существенно снизить мощность рабочего хода, так как давление, толкающее поршень вниз, будет сбрасываться через выпускной канал. Тоже и при закрытии: если закрыть клапан слишком рано, то отработанные газы не успеют выйти, а если слишком поздно, то входящая порция смеси будет вытолкнута в выхлоп вместе со сгоревшими газами. Такое может происходить потому, что в момент прохода поршня через ВМТ при переходе от такта выпуска к такту впуска впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Это называется «перекрытием клапанов». Этот «перелив» из впускного канала в выпускной может дать двигателю несколько преимуществ. Во-первых, выхлопные газы, выходящие из цилиндра могут быть использованы для создания вакуума — нечто подобное происходит при выдергивании пробки из бутылки. Это будет помогать опускающемуся поршню втягивать в цилиндр свежую смесь. Во-вторых, выхлопную систему можно настроить так, что свежая смесь, переливающаяся в выпускной канал, будут втягиваться обратно в камеру сгорания перед самым закрытием выпускного клапана. Решающим обстоятельством является здесь не продолжительность перекрытия (выражаемая в градусах поворота коленчатого вала), а то, насколько высоко поднимаются клапаны в верхней мертвой точке. При стандартном распредвале высота подъема обоих клапанов в верхней мертвой точке может доходить до 0,76 мм, в то время, как для гоночных автомобилей эта величина достигает 5 мм. В целом, чем больше подъем клапанов при перекрытии, тем при больших оборотах двигатель достигает максимальной мощности, и тем хуже распределение мощности. Здесь уже возникает проблема зазора между клапанами и поршнем. При чрезмерно больших кулачках, дающих высокий подъем клапанов в фазе перекрытия, приходится делать в поршнях специальные углубления — «карманы», чтобы исключить столкновение поршня с клапанами к верхней мертвой точке.

В чем назначение перекрытие фаз?

Когда впускной клапан открывается раньше, а выпускной клапан закрывается поздно, имеется период времени, когда оба клапана открыты. Этот период перекрытия клапанов имеет место, когда поршень находится около ВМТ. Открывание обоихкла-панов одновременно может не показаться хорошей идеей, однако, такая технология сжимает движущуюся массу потока выхлопных газов как своеобразный «пылесос», чтобы вытянуть оставшиеся газы. Фактически, этот эффект пылесоса такой сильный, что он также помогает начать впуск потока. Этот более ранний впускной поток, вызванный энергией выхлопных газов, называется продувкой, и он улучшает наполнение цилиндра и увеличивает мощность, особенно на высоких оборотах. Тогда как чрезмерное перекрытие клапанов уменьшает крутящий момент на низких оборотах, потери уменьшаются, когда продолжительность перекрытия настраивается в соответствии с применением — примерно от 400 для обычного распредвала и примерно до 850 для специального профиля.Распределительные валы с короткой продолжительностью тактов, разработанные для работы при низких оборотах двигателя, почти всегда имеют короткие периоды перекрытия клапанов. Эти распределительные валы обеспечивают хорошие значения мощности двигателя на низких оборотах, так как фазы работы клапанов не слишком удалены от фаз ВМТ/НМТ.

Какие силы действуют вдоль оси распределительного вала?

Преимущества и недостатки косозубых шестерен в приводе распределительного вала

-практически неограниченная передаваемая мощность

-стабильное передаточное отношение

Высокий КПД, который составляет в среднем 0,97 – 0,98

шум в работе на высоких скоростях (может быть снижен при применении зубьев соответствующей геометрической формы и улучшении качества обработки профилей зубьев)

Преимущественное распространение получили передачи с зубьями эвольвентного профиля, которые изготавливаются массовым методом обкатки на зубофрезерных или зубодолбежных станках. Достоинство эвольвентного зацепления состоит в том, что оно мало чувствительно к колебанию межцентрового расстояния

При высоких угловых скоростях вращения рекомендуется применять косозубые шестерни, в которых зубья входят о зацепление плавно, что и обеспечивает относительно бесшумную работу.

Недостатком косозубых шестерен является наличие осевых усилий, которые дополнительно нагружают подшипники. Этот недостаток можно устранить, применив сдвоенные шестерни с равнонаправленными спиралями зубьев или шевронные шестерни.

Шевронные шестерни, ввиду высокой стоимости и трудности изготовления применяются сравнительно редко – лишь для уникальных передач большой мощности.

При малых угловых скоростях вращения применяются конические прямозубые шестерни, при больших – шестерни с круговым зубом, которые в настоящее время заменили конические косозубые шестерни, применяемые ранее.

Конические гипоидные шестерни тоже имеют круговой зуб, однако оси колес в них смещены, что создает особенно плавную и бесшумную работу. Передаточное отнесение в зубчатых парах колеблется в широких пределах, однако обычно оно равно 3 – 5

Преимущества и недостатки цепной и ременной передач в приводе распределительного вала

Преимуществами являются возможность осуществлять передачу на значительные расстояния, эластичность привода, смягчающая колебания и нагрузки и предохраняющая от значительных перегрузок (за счет проскальзывания), плавность хода и бесшумность работы.

К недостаткам относятся меньшая компактность, непостоянство передаточного отношения (из-за скольжения ремня на шкивах), большое давление на валы и подшипники, немного меньший коэффициент полезного действия.

Способы осевой фиксации распределительного вала

Фиксация вала в осевом направлении осуществляется специальными торцевыми ограничителями. У большинства двигателей осевые перемещения ограничиваются упорным фланцем, укрепленным болтами к блок-картеру. Распорное кольцо 6, зажатое между ступицей шестерни и передней опорной шейкой, толще

упорного фланца, что обеспечивает необходимый осевой зазор между торцом шейки и ступицей шестерни.

С какой целью на деталях привода распределительного вала ставят метки?

метка на шкиве коленчатого вала совмещена с меткой на крышке масляного насоса). При этом метка 8 должна совпадать с меткой на задней крышке зубчатого ремня, а метка на маховике должна находиться против среднего деления шкалы на картере сцепления.

Если метки не совпадают, то ослабляют ремень натяжным роликом, снимают со шкива распределительного вала, корректируют положение шкива, снова надевают ремень на шкив и слегка натягивают натяжным роликом. Опять проверяют совпадение установочных меток, провернув коленчатый вал на два оборота по часовой стрелке.

Назначение теплового зазора в приводе клапана, почему его необходимо регулировать в процессе эксплуатации двигателя?

Каково основное назначение пружины клапана?

Влияние фаз газораспределения на процессы газообмена

Установлено, что для лучшего газообмена впускной клапан необходимо начать открывать примерно за 10—30° до прихода поршня в ВМТ, а выпускной закрывать спустя 10—50° после прохода поршнем ВМТ. Следовательно, существует период, во время которого оба клапана находятся в открытом состоянии.

Период, когда одновременно открыты оба клапана, называется перекрытием клапанов, а периоды, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, в течение которых клапаны открыты, называют фазами газораспределения. Графическое изображение фаз газораспределения — диа­грамма показана на рис. 6.

Рис. 6. Диаграмма фаз газораспределения

Во время перекрытия клапанов происходит и поступление в цилиндр свежего заряда, и выпуск отработавших газов. Этот процесс газообмена называется продувкой цилиндра. При продувке свежий заряд смешивается с отработавшими газами, и часть его выходит через выпускной клапан, а часть через впускной клапан возвращается в систему впуска (обратный выброс). Так происходит в карбюраторных двигателях при работе на режиме холостого хода, когда дроссельная заслонка сильно прикрыта, и поэтому давление в системе впуска снижается. То же самое может происходить и при малых частотах вращения коленчатого вала, когда инерция свежего заряда не велика, и поршень во время запаздывания закрытия впускного клапана часть свежего заряда вытесняет обратно в цилиндр. В результате количество свежего заряда, оставшегося в цилиндре после окончания впуска, оказывается меньше общего количества свежего заряда, поступившего в цилиндр при газообмене.

В табл. 1 представлены фазы газораспределения некоторых автомобильных двигателей. Как следует из этой таблицы, у всех четырехтактных двигателей впускные клапаны открываются и закрываются со значительным опережением и запаздыванием.

Таблица 1. Фазы газораспределения некоторых автомобильных двигателей, поворота коленчатого валаекрытие клапанов

Этапы опережения, запаздывания и перекрытия клапанов позволяют улучшить очистку и наполнение цилиндров.

Опережение открытия впускного клапана обеспечивает достаточное проходное сечение к началу поступления свежего заряда в цилиндр, что позволяет увеличить эффективную пропускную способность клапана во время всего впуска, а значит, и наполнение цилиндра.

Запаздывание закрытия впускного клапана кроме повышения пропускной способности позволяет использовать инерцию свежего заряда для дополнительной подачи его в цилиндр — дозарядка цилиндра.

Опережение открытия выпускного клапана обеспечивает более эффективную очистку цилиндра за счет избыточного давления отработавших газов в конце процесса расширения и тем самым снизить потери мощности двигателя на принудительное выталкивание отработавших газов на такте выпуска. Запаздывание закрытия клапана позволяет дополнительно удалить из цилиндра некоторое количество остаточных газов путем использования их инерции движения через выпускной клапан и за счет перепада давлений между цилиндром и окружающей средой.

Если клапаны открываются с большим опережением и закрываются с большим запаздыванием, фазы газораспределения называются широкими. Если опережение открытия и запаздывание закрытия клапанов незначительны, фазы газораспределения называются узкими.

В большинстве случаев высокооборотные двигатели имеют более широкие фазы газораспределения, чем двигатели малооборотные.

Для эффективного газообмена важно обеспечить большие проходные сечения в клапанных щелях, которые в процессе открытия и закрытия клапана меняются, поэтому пропускную способность клапанов характеризуют параметром, называемым «время—сечение»:

,

где f — переменное проходное сечение в клапанной щели;

τ — время открытого состояния клапана;

n — частота вращения коленчатого вала;

φ₁ и φ₂— углы поворота коленчатого вала при опережении открытия и запаздывании закрытия клапана.

«Время—сечение» соответствует площади, ограниченной кривой f=f(φ) и осью абсцисс. Сравнение параметров «время-сечение» при различных фазах газораспределения показано на рис. 7.

Рис. 7. Изменение параметра «время—сечение» клапана
при различных фазах распределения:
1 — закрытие и открытие клапана без опережения и запаздывания;
2— открытие и закрытие клапана с опережением и запаздыванием

Источник