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.
Качество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.
В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.
В большинстве современных двигателей фазы меняться не могут. И работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопа) в цилиндре, а также во впускном и выпускном трактах меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.
Так, например, 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 сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.
Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными 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. Вот так задачка!
Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими.
А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них — применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. 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.
Но неуёмные 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, в тойотовской системе 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 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.
Изменять момент и продолжительность открытия — это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).
Видео:Система изменения фаз газораспределения на примере CVVTСкачать
Чем вредна заслонка? Она ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно приводит? К большой инертности разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшению качества наполнения цилиндра свежим зарядом, снижению отдачи и уменьшению скорости отклика на нажатие педали газа.
Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения нужного наполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По разным данным, экономия от применения системы бездроссельного управления может составлять от 8% до 15%, прирост мощности и момента в пределах %. Но и это не последний рубеж.
Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.
Читайте также: Марка масла для двухтактных лодочных моторов
В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы — прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?
Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это — уже совсем другой разговор.
Фазы газораспределения
Все знают, что распредвалы это очень важный элемент тюнинга и тем более спортивного мотора. Многие часто слышали о фазах, времени открытия клапанов и т.д. Очень часто, многие могли слушать разговоры типа: а какой мне лучше поставить распредвал 264 или 272, а может 290. На самом деле, это разговор ни о чем.
Распредвалы бывают разные — сток, тюнинг, тюнинг-спорт, полный спорт (кольцо, драг), турбо… У них разные задачи и цели. У всех у них разный диапазон работы. Грубо, возьмём DOHC мотор. Тюнинговый вал с фазами 25-65/70-20 (duration 270) улучшит характеристики мотора с небольшой потерей на низких оборотах, диапазон работы 2500-7200 оборотов. Более широкий вал, который возможно использовать на машине, не предназначенной только для гонок будет 40-70/75-35 (duration 290) — 4000-8200 оборотов. Если возьмём мотор SOCH, то 280 duration (тюнинг вал) не плохо работает в режиме 2500-6600 оборотов, а 310 duration — 4000-7800 это, наверное, уже оптимальный максимум для полного спорта.
Те, кто действительно желает в этом вопросе разобраться, предлагаю забыть то что я выше написал.
Что бы лучше все это понять давайте виртуально увеличим мощность, к примеру, стандартного 2.0 литра Дуратек мотор Форд фокус, который в стоке имеет мощность 145 лошадиных сил.
Представьте, мотор — это черный ящик, к которому подведены две трубы, в одну подается топливо, а в другую воздух. В черном ящике топливо смешивается с воздухом, сжимается, поджигается, короче происходит реакция, в следствии чего выделяется энергия и на выходе эта проделанная работа (момент)передается на коленвал.
Видео:Фазы Газораспределения! Перекрытие Клапанов! Атмо и Турбо!Скачать
Количество энергии зависит от массы сгоревшего топлива и его калорийности. Но для повышения мощности мы не можем просто увеличить подачу топлива т.к. для полного сгорания его, необходимо 14.6 частей массы воздуха (на 1 единицу массы топлива 14.6 единиц массы воздуха). У нас нет проблем с увеличением топлива, но вот с подачей воздуха, если мы не собираемся подключить к черному ящику компрессор, есть определенные трудности.
1 ватт определяется как мощность, при которой за 1 секунду времени совершается работа в 1 джоуль. или это равняется 1 Дж = 1 кг•м²/с² = 1 Н•м. С учетом того что в нашем черном ящике при сгорании топлива выделятся энергия и конечно производится работа — коленвал передает момент, для того, чтобы это перевести в момент (усилие передается через плечо) то мы можем просто работу *на 2Пи (2*3.14159), потом разделим на количество оборотов в секунду и получим момент.
ИЛИ МОЩНОСТЬ (кВт) = МОМЕНТ (N-M) * N (обороты двигателя в секунду) /159.2
не пугайтесь этого уравнения, сегодня мы из него рассмотрим только 2 значения (этого будет достаточно для понимания сути), остальное пусть будет неизменным
Для чего я все это написал. Главное, чтобы Вы поняли от чего зависит момент и мощность:
Момент зависит от количества выделенной энергии при сгорании топлива (конечно пока опустим всевозможные потери, эффективность, калорийность, КПД — не в этом суть). А количество топлива напрямую зависит от поступившего воздуха.
Мощность зависит от момента и оборотов двигателя. Если момент останется неизменным, но мы повысим обороты то мощность возрастет.
Есть такое понятие объёмная эффективность VE (Volumetric efficiency), это значение равняется массе воздуха, поступающего в двигатель по отношению к его рабочему объёму. Мотор дюратек, это современный с хорошей ГБЦ (головкой блока цилиндров) DOCH. В стоке, его максимальное VE равняется 95% в точке максимального момента. Это значит, что максимум в двигатель попадает только 95% от объёма 2 литра. Вообще VE оно не постоянно для двигателя, на моторе Дюратек на 2000 оборотах оно равняется 84% потом растёт до своего максимума 95% и начинает опять понижаться, на 6500 уже 88%, а на 7500 всего 75%.
Так как же нам повысить мощность на этом моторе? Если вы просто будете крутить ваш мотор, то мощность от этого только уменьшится т.к. VE (Volumetric efficiency) уменьшатся и после 6000 оборотов падение коэффициента наполнения составляет ниже 88% — это как объём Вашего мотора с повышением оборотов уменьшится.
Да конечно можно установить нагнетатель воздуха, можно физически увеличить размер мотора (рабочий объём), но сегодня будем делать по-другому. Давайте для начала просто передвинем VE (Volumetric efficiency) с точки максимального момента, скажем на 6500 оборотов. Раньше у нас там было значение 88%, следовательно, оно станет 95%. В результате мы без проблем получим 170 сил на 6500 оборотах (не плохо).
Читайте также: Планетарные мотор редукторы spn
Вообще какие бывают максимальные значения объёмной эффективности у атмосферных моторов? Современные 4 клапана на цилиндр моторы: 92-95%. Тюнинг легкий до 105%. NASCAR — 110%. Моторы со свободным впуском (Weber карбюраторы, заслонка на каждый цилиндр) отличный выпускной коллектор -110-115%. Гоночный мотор — 120-125%.
Что влияет на VE (Volumetric efficiency)? почему она на сток машинах такая не большая (2 клапана на цилиндр максимум 80-85%) на сток моторах:
Видео:Фазы на распредвалах, какое перекрытие выставить? Что такое "фаза распредвала"?Скачать
— Потери в системе впуска, чем больше всевозможных препятствий, изгибов тем больше потери. На турбо моторах (из-за интеркулера, пайпинга) нормальное явление потери в пределах 0.2 бара, если сравнить эффективность турбо мотора 4 клапана на цилиндр, без учета избыточного давления, то оно составим не более чем на моторе с 2 клапанами на цилиндр.
— Повышение температуры поступающего воздуха и как следствие уменьшение плотности воздуха и конечно его массы.
— цилиндры не полностью очищаются от отработанных газов, их объём может составлять более 5%. Соответственно уменьшатся в таком же количестве и поступление свежего воздуха.
— Обратное давление в системе впуска
Если сложить все эти потери, то они составят намного больше чем 5%, которых нам не достает до 100% на моторе форд фокус. А вот за это и отвечает настройка системы впуска/ выпуска и распредвал. На сток моторах она настроена на режим круиз и максимального момента. Поэтому именно там обычно и есть максимальные значения VE (Volumetric efficiency).
Ну вот, теперь поговорим о распредвалах. Что и зачем вообще распредвал в моторе делает? делает он простую и не сложную работу — открывает и закрывает в нужный момент клапана. Чтобы лучше понять его работу давайте вспомним что значит 4 тканый мотор.
Все очень просто: 1 такт — впускной, 2 такт — сжатие, 3 такт — рабочий ход и 4 такт — выпуск.
Теперь добавим к этим 4 тактам еще 4 очень важных процесса:
Впускной клапан открыт — ВКО
Выпускной клапан открыт — ВыКО
Впускной клапан закрыт — ВКЗ
Выпускной клапан закрыт — ВыКЗ
Но чтобы понять, как добиться 125% VE (Volumetric efficiency) на атмосферном моторе этого нам мало. Поэтому рассмотрим 7 тактов (событий) которые связаны между собой, которые отвечают за наполняемость цилиндров, за все процессы, связанные с воздухом и газами.
ПРОЦЕСС 1 — ВПУСК (ВСАСЫВАНИЕ) (INTAKE PUMPING)
Начинается сразу после того как выпускной клапан закрывается (ВыКЗ) в момент перекрытия клапанов (overlap) несколько градусов после верхней мертвой точки ВМТ цилиндра. Впускной клапан (ВК) уже частично открыт и быстро двигающийся поршень вниз начинает всасывать топливо воздушную смесь через впускной канал. Поршень набирает скорость и где-то около 75* после ВМТ достигает своего максимума и поэтому в цилиндре создается низкое давление. ВК полностью открывается около 108* (градусов) после ВМТ. Процесс впуска (всасывания) заканчивается, когда поршень останавливается в своей нижней мертвой точке (НМТ). В это момент ВК все еще полностью открыт.
ПРОЦЕСС 2 — ВПУСК (УТРАМБОВКА) (INTAKE RAMMING)
Видео:10. Устройство автомобиля. Двигатель. ГРМ. Фазы газораспределенияСкачать
Начинается в момент, когда поршень меняет свое направление, начинает двигаться вверх, но при этом ВК начинает закрываться. Топливно-воздушная смесь продолжает поступать в цилиндр (утрамбовываться). С движением поршня вверх, давление в цилиндре начинает возрастать, но смесь продолжает поступать. Около 60* после НМТ ВК закрывается и на этом этот процесс заканчивается. Это одно из важнейших событий благодаря которому удается увеличить VE (Volumetric efficiency) до 110% в современных гоночных моторах.
Необходимо этот процесс обсудить более подробно.
Здесь важны два момента: вовремя закрыть впускной клапан, пока возрастающее давление в цилиндре не начало превышать давление в впускном канале и как следствие выталкивать свеже поступившую топливовоздушную смесь обратно.
Организовать давление как можно больше и дольше во впускном тракте цилиндра.
Это называется инерционный тюнинг или organ pipe tuning, Принцип работы органа (музыкальный инструмент). Для доходчивости я воспользуюсь не совсем верным методом объяснения, но зато очень понятным. Надеюсь все помнят, что такое слинки, это такая игрушка
Вот примерно так ведут себя и газы, жидкости в трубах, это как бы пневмапружина. Воздух, газ или топливовоздушная смесь имеет массу, а значит и кинетическую энергию. Если мы потянем за один край этой игрушки, то со временем этот пульс дойдет и до другого края. Так и воздух, он разгоняется в впускном канале, соответственно имеет инерцию, он не может сразу остановится, за волной разряжения обязательно последует волна давления. Чем быстрее мы организуем скорость потока в канале, тем больше воздуха поступит в цилиндр т.к. будет больше давление. Воздух будет поступать в цилиндр до тех пор, пока давление в канале будет выше чем в цилиндре и вот тут главное вовремя закрыть канал, чтобы поршень, идущий вверх (при этом повышающий давление в цилиндре) не начал выталкивать воздух.
На скорость потока заряда влияет скорость поршня (обороты двигателя), проходное сечение впускного тракта (канал и ранер) и тормозящие процессы, вызванные сопротивлением. Теперь становится понятно, что если мы увеличим канал, установим большего размера клапан то скорость потока уменьшится, кинетической энергии будет меньше — меньше давление, меньше поступит воздуха — меньше мощность. Но если мы увеличим скорость поршня за счет увеличения оборотов двигателя, то тем самым добьемся компромисса. Закон простой — уменьшаем диаметр или увеличиваем обороты двигателя — повышаем скорость потока (воздушного заряда) НО ПРИ ЭТОМ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ СОПРОТИВЛЕНИЕ и на оборот.
Длина определят момент, когда процесс должен произойти. Длиннее ранер с каналом — дольше время необходимо для волны — меньше обороты двигателя и наоборот.
Читайте также: Как загрузить мотор в машину
Здесь все просто. Начинается после закрытия ВК в то время пока поршень продолжает двигаться вверх сжимая при этом топливовоздушную смесь в цилиндре. Заканчивается в момент, когда свеча зажигает смесь — где-то 30 градусов перед ВМТ. Для постройки гоночного мотора — Ваша задача добиться наименьшего оптимального угла опережения зажигания. Много есть способов (в другой раз)
ПРОЦЕСС 4 — ЗАЖИГАНИЕ И РАСШИРЕНИЕ
маленькое отступление. Кто не знает, я много лет не живу в России и технический русский язык плохо знаю, поэтому много использую английские выражения. Просьба — если что не так, то поправьте.
Fuel Burning and Expansion. Процесс начинается сразу после зажигания, поршень продолжает двигаться вверх. Температура и давление повышается. пик приходится на 12-15 градусов после ВМТ. Это большое давление давит на верх поршня и толкает его вниз, газы продолжают расширятся. Процесс заканчивается сразу после того как выпускной клапан начинает открываться (exhaust valve cracks open) где-то 120* после ВМТ.
ПРОЦЕСС 5 — EXHAUST BLOWDOWN (ПРОДУВКА)
Видео:Как работает фазовращатель!?Скачать
Начинается сразу после того, как выпускной клапан начинает открываться (exhaust valve cracks open) как раз в этот момент и происходит этот звук (который мы потом заглушаем). температура и давление все еще в цилиндре высокое, часть смеси продолжает еще гореть. В данный момент, при таком высоком давлении система выпуска не настраивается (продувка все снесёт на своем пути). Процесс важный (поговорим позднее), раньше открыл меньше мощность (эффект как от настройки опережения зажигания) … Заканчивается в момент, когда поршень достигает НМТ.
ПРОЦЕСС 6 — EXHAUST PUMPING (ОТКАЧКА)
Откачка. очень похож на ПРОЦЕСС 1 -. Только в обратном направлении. Начинается в момент, когда поршень меняет свое направление и начинает двигаться вверх. Выпускной клапан продолжает открываться и достигает своего максимума где-то 70* после НМТ. Поршень набирает свою максимальную скорость около 105* после НМТ. Выпускные газы благодаря процессу продувки уже не имеют такого высокого давления. Поршень выталкивает через выпускной канал и при этом разгонят отработанные газы, они опять начинают набирать кинетическую энергию. Процесс заканчивается в момент, когда впускной клапан начинает открываться где-то около ВМТ.
ПРОЦЕСС 7 — перекрытие (OVERLAP)
Процесс начинается, когда ВК открывается, а выпускной еще не закрыт. Очень важный процесс (рассмотрим внимательнее позднее). Процесс заканчивается в момент, когда выпускной клапан полностью закрывается.
В это момент настраивается два процесса для очищения и наполнения цилиндра. Цель создать давление на впуске и разрежение на выпуске.
Поршень разогнал выпускные газы, они набрали энергию и поэтому даже когда поршень начинает свое движение вниз, в выпускном коллекторе давление меньше чем в цилиндре и поэтому продолжается процесс высасывания, очищение камеры сгорания, цилиндров. Также это низкое давление помогает всасывать свежий заряд через открывающейся ВК. Часть этого заряда остается в цилиндре, а часть выходит с отработанными газами (очищение, ну и правда повышенный расход вам будет обеспечен)
Выпуск здесь необходимо настроить — организовать скорость потока в выпускных каналах, ранерах. Пик разрежения (и как следствие точка максимального момента или мощности) определяется длиной. С пиком здесь можно поиграть. Можем его сделать очень сильным или » размазать». За это отвечает коллектор, точнее его размер, длина, да или просто наличие. Скажем на дрегстерах часто можно встретить просто трубы от каждого цилиндра в воздух.
Но на этом настройка в 7 процессе не заканчивается. Здесь появляется еще один вид — резонансный тюнинг в момент открытия впускного клапана.
Как только выпускной клапан закрывается нам необходимо добиться чтобы в впускном канале образовалось давление. поймать, настроится на одну из волн, амплитуд с положительным экстримом. Это похоже на эхо, вот его нам и надо настроить.
Если все сделать правильно то можно добиться эффективной наполняемости до 130%.
К ПРИМЕРУ: если мы продолжим делать наш мотор форда дюратек. ГБЦ у него не плохая, впускной клапан 35 мм (это с потенциалом до 8200 оборотов двигателя) . Нет, не будем сильно модернизировать. Поршневая сток позволят крутить мотор до 7200 оборотов. Но для безопасности поменяем только шатунные болты на усиленные и тем самым сдвинем порог до 7700 оборотов. Теперь установим хорошие дросселя (свободный впуск) скажем проверенный и хорошо себя зарекомендовавший кит от Jenvey. Изготовим выпускной специально настроенный коллектор и конечно всю систему выпуска поменяем. Установим новые распредвалы. И без проблем мы получим 220 сил на 7200 оборотах, обыкновенном бензине, можно и больше, но это обороты повышать.
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
Видео:Как и зачем менять моменты открытия клапанов ДВССкачать
📽️ Видео
Принцип работы двигателя. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в 3DСкачать
Для чего нужен ноль? Почему у трехфазного двигателя нет нуля и куда девается ток?Скачать
ЧТО ТАКОЕ КЛАПАН ФАЗОРЕГУЛЯТОРА. КАК ОН ВЛИЯЕТ НА Х/Х И КАК ПРОВЕРИТЬ? ОШИБКА DF080 | #ВидеолекцияСкачать
Три фазы? Почему электроэнергия во всем мире передается по ТРЕМ проводам? #энерголикбезСкачать
Что такое ФАЗА, НОЛЬ и ЗЕМЛЯ В ЭЛЕКТРИКЕ | ОБЪЯСНЯЮ НА ПАЛЬЦАХСкачать
Поздние фазы газораспределения - пример тестирования механики двигателя при помощи мотортестераСкачать
Как работает двигатель внутреннего сгорания автомобиля?Скачать
Как трехфазный асинхронный двигатель работает на одной фазе? #энерголикбезСкачать
Изменяемые фазы газораспределения (VC)Скачать
ЗМЗ-405, ФАЗЫ ГРМ ГАЗЕЛЬ. Капиталка змз. Идеальная фаза.Скачать
🔥 Зачем нужны фазовращатели, как они работают и как ломаются? Крутой гид по системе VVT.Скачать
Установка фаз газораспределения змз 405 406 409 с помощью ножика @LysenkaСкачать
Теория ДВС: Распредвалы, фазы ГРМСкачать
Фазы газораспределения на двухтактном двигателе скутераСкачать
