Навіщо змінювати фази газорозподілу?

Зачем менять фазы газораспределения?
Навіщо змінювати фази газорозподілу?
- Якість роботи двигуна — його ККД, потужність, крутний момент і економічність залежать від багатьох факторів, в тому числі і від фаз газорозподілу, тобто від своєчасності відкриття і закриття впускних і випускних клапанів.
 
У звичайному чотиритактному двигуні внутрішнього згоряння клапани приводяться в дію кулачками розподільного валу. Профіль цих кулачків визначає момент і тривалість відкриття (тобто ширину фаз), а також величину ходу клапанів.
У більшості сучасних двигунів фази змінюватися не можуть. І робота таких двигунів не відрізняється високою ефективністю. Справа в тому, що характер поведінки газів (горючої суміші і вихлопу) в циліндрі, а також у впускному і випускному трактах змінюється в залежності від режимів роботи двигуна. Постійно змінюється швидкість течії, виникають різного роду коливання пружної газового середовища, які призводять до корисним резонансним або, навпаки, паразитних застійним явищам. Через це швидкість і ефективність наповнення циліндрів при різних режимах роботи двигуна неоднакові.
Так, наприклад, для роботи на холостому ходу доречні вузькі фази газорозподілу з пізнім відкриттям і раннім закриттям клапанів без перекриття фаз (час, коли впускний і випускний клапани відкриті одночасно). Чому? Тому що так вдається виключити попадання вихлопних газів у впускний колектор і викид частини горючої суміші у вихлопну трубу.
При роботі на максимальній потужності ситуація сильно змінюється. З підвищенням обертів час відкриття клапанів закономірно скорочується, але для забезпечення високих крутного моменту і потужності через циліндри необхідно прогнати куди більший об'єм газів, ніж на холостому ходу. Як вирішити таку непросту задачу? Відкривати клапани трохи раніше і збільшувати тривалість їх відкриття, іншими словами, зробити фази максимально широкими. При цьому для кращої продувки циліндрів фазу перекриття зазвичай роблять тим ширше, чим вище обороти.
Так що при розробці і доведенні двигунів конструкторам доводиться пов'язувати ряд взаємовиключних вимог і йти на складні компроміси. Посудіть самі. З одними і тими ж фіксованими фазами двигун повинен володіти непоганою тягою на низьких і середніх оборотах, прийнятною потужністю на високих. І плюс до всього стійко працювати на холостому ходу, бути максимально економічним і екологічним. Ось так задачка!
Але конструктори такі завдання вже давно клацають як насіння і здатні за допомогою зрушення і зміни ширини фаз газорозподілу змінювати характеристики двигуна до невпізнання. Підняти момент? Будь ласка. Підвищити потужність? Не питання. Знизити витрату? Не проблема. Правда, часом виходить так, що при поліпшенні одних показників доводиться жертвувати іншими.
А якщо навчити газорозподільний механізм підлаштовуватися під різні режими роботи двигуна? Запросто. Благо способів для цього придумана маса. Один з них — застосування фазообертача — спеціальної муфти, яка здатна під дією керуючої електроніки та гідравліки повертати розподільний вал на певний кут відносно його початкового положення. Найбільш часто така система встановлюється на впуску. З підвищенням обертів муфта провертає вал по ходу обертання, що веде за собою більш раннє відкриття впускних клапанів і як наслідок — краще наповнення циліндрів на високих оборотах.
Але невгамовні інженери не зупинилися на цьому і розробили ряд систем, здатних не тільки рухати фази, але і розширювати чи звужувати їх. В залежності від конструкції це може досягатися кількома способами. Наприклад, в тойотівської системі VVTL-i після досягнення певних оборотів (6000 об/хв) замість звичайного кулачка в роботу починає вступати додатковий — з зміненим профілем. Профіль цього кулачка задає інший закон руху клапана, більш широкі фази і, до речі, забезпечує більший хід. При розкручуванні колінчастого вала до максимальних оборотів (близько 8500 об/хв) на частоті обертання 6000-6500 об/хв у двигуна ніби відкривається друге дихання, яке здатне надати автомобілю різкий і потужний підхоплення при прискоренні.
Змінювати момент і тривалість відкриття — це чудово. А що якщо спробувати змінювати висоту підйому? Адже такий підхід дозволяє позбутися від дросельної заслінки і перекласти процес управління режимами роботи двигуном на газорозподільний механізм (ГРМ).
Чим шкідлива заслінка? Вона погіршує наповнення циліндрів на низьких і середніх обертах. Адже у впускному тракті під прикритим дроселем при роботі двигуна створюється сильне розрідження. До чого воно призводить? До великої інертності розрідженої газового середовища (паливоповітряної суміші), погіршення якості наповнення циліндра свіжим зарядом, зниження віддачі та зменшення швидкості відгуку на натискання педалі газу.
Тому ідеальним варіантом було б відкривати впускний клапан тільки на час, необхідний для досягнення потрібного наповнення циліндра горючою сумішшю. Відповідь інженерів — механічна система керування підйомом впускних клапанів. У таких системах висота підйому і, відповідно, тривалість фази впуску змінюються в залежності від натискання на педаль газу. За різними даними, економія від застосування системи бездроссельного управління може складати від 8% до 15%, приріст потужності і моменту в межах 5-15 %. Але і це не останній рубіж.
Незважаючи на те що кількість і розміри клапанів наблизилися до максимально можливим, ефективність наповнення й очищення циліндрів можна зробити ще вище. За рахунок чого? За рахунок швидкості відкриття клапанів. Правда, механічний привід тут здає позиції електромагнітному.
У чому ще плюс електромагнітного приводу? У тому, що закон (прискорення в кожен момент часу) підйому клапана можна довести до ідеалу, а тривалість відкриття клапанів дозволяється змінювати в дуже широких межах. Електроніка згідно з прописаною програмі час від часу непотрібні клапани може не відкривати, а відключати циліндри зовсім. Навіщо? В цілях економії, наприклад, на холостому ходу, при русі в сталому режимі або при гальмуванні двигуном. Так що режими — прямо під час роботи електромагнітний ГРМ здатний перетворити звичайний чотиритактний мотор в шестітактний. Цікаво, чи скоро з'являться такі системи на конвеєрі?
Мабуть, подальше збільшення ефективності роботи двигуна за рахунок ГРМ вже неможливо. Вичавити ще більше потужності і моменту з того ж обсягу при меншій витраті можна буде тільки з застосуванням інших засобів. Наприклад, комбінованого наддуву або конструкцій, що змінюють ступінь стиснення, інших видів палива. Але це — вже зовсім інша розмова.
03:42
3
RSS