Сучасні тенденції розвитку конструкції газорозподільних механізмів
- Ускладнення конструкції за рахунок удосконалення конструкції та масового застосування автоматичних електронних систем керування робочими процесами двигуна;
- Електронне керування приводом клапанів;
- Впровадження нових схем механізмів газорозподілу з гідравлічним і електромагнітним приводом клапанів, завдяки чому збільшується надійність і знижується шумність.
- Використання автоматичних електронних системи регулювання фаз газорозподілу, які забезпечують найбільш оптимальний режим роботи двигуна в залежності від навантаження та обертів колінчастого вала, зміну кута відкриття та закриття клапанів;
- Використання електронних систем, що регулюють висоту піднімання клапанів на різних режимах роботи двигуна;
- Застосування багатоклапанних механізмів (3-4-5 на один циліндр);
- Використання газорозподільних механізмів, які дають можливість відключати від роботи ряд циліндрів на деяких режимах ;
- Виготовлення деталей газорозподільних механізмів з матеріалів, які знижують втрати на тертя;
За рахунок застосування генератора системи ISAD(Integrated Starter Alternator Damper - інтегрований стартер-генератор - гаситель вібрацій), в майбутньому можливе масове застосування електронного управління приводом клапанів (зараз застосовується тільки на останніх автомобілях BMW 7 - q серії).
Нині клапанам з механічним управлінням потрібно механічну потужність в діапазоні від 4 до 7,5 кВт (залежно від типу вживаної конструкції, робочого об'єму двигуна, кількості клапанів і розподільних валів, і якості виготовлення деталей). У разі електричного варіанту не лише покращується енергетичний баланс, а відповідно, зменшується витрата палива, але і може здійснюватися регулювання часу відкриття клапанів залежно від навантаження на двигун.
Необхідна для цього електрична потужність в 4-5 кВт повністю забезпечується системою управління подачею і розподіли енергії.
Чим досконаліший газорозподільний механізм, тим краще наповнення циліндрів паливною сумішею і тим краще видалення з циліндрів відпрацьованих газів.
Привід газорозподільного вала здійснюється від колінчастого вала двигуна і може бути зубчастим, ланцюговим, пасовим.
Протяжність відкриття впускних та випускних клапанів, що складає для сучасних двигунів 2300-2800 і виражається в градусах кута повороту колінчастого вала відносно мертвих точок.
Час відведений на впускання паливної суміші або повітря в циліндри та видалення відпрацьованих газів дуже малий і становить 0,0025 с для такту впуску двигунів з частотою обертання колінчастого вала 6000 об/хв. Тому за такий короткий промежуток часу циліндри двигуна не встигають повністю заповнитись пальною сумішею та звільнитися від відпрацьованих газів, що приводить до зниження потужності двигуна та паливної економічності.
Ступінь наповнення циліндрів виражається через коефіцієнт наповнення, який дорівнює відношенню кількості реально надійшовшого до циліндру свіжого заряду до тієї кількості заряду, яка теоретично могла б розміститися в повному об’ємі циліндра при заданих температурі та тиску. У сучасних двигунів ступінь наповнення циліндрів пальною сумішею при номінальній частоті обертання становить 0,75…0,85, для дизелів 0,90….0,95. Для збільшення коефіцієнта наповнення і зв’язаних з ним потужності та економічності, сучасні двигуни все більше обладнують системою наддуву, яка забезпечує подачу повітря (паливної суміші) в циліндр під надлишковим тиском ы підвищує коефіцієнт наповнення.
При високій частоті обертання двигуна пальна суміш (повітря) і відпрацьовані гази рухаються у впускному та випускному трубопроводах з великою швидкістю. Якщо різко відкривати та звкривати клапани то у потоках газів виникають значні сили інерції.
Останнім часом інерційність пальної суміші (повітря) чи відпрацьованих газів використовується для суттєвого покращення газообміну у двигуні.
При роботі двигуна такти впуску та випуску в різних циліндрах двигуна слідують один за одним з досить малими проміжками часу, що створює пульсуючий потік пальної суміші (повітря) або відпрацьованих газів, який використовується для підвищення коефіцієнту наповнення циліндрів і для більш ефективного видалення відпрацьованих газів.
Все вище наведене потребує відкривати та закривати клапани не обов’язково у верхній мертвій точці.
У сучасних двигунах впускні клапани необхідно відкривати з випередженням від 100 до 300 повороту колінчастого вала до верхньої мертвої точки, а закривати від 300 до 700 після нижньої мертвої точки, що дозволяє фазі впуску тривати від 2300 до 2800 повороту колінчастого вала. При такому відкритті впускних клапанів пальна суміш (повітря) надходитиме в циліндр ще до приходу поршня у верхню мертву точку і якщо частота тактів впуску у різних циліндрах буде збігатися з частотою хвиль підвищення тиску перед впускними клапанами, наступає резонанс і інтенсивність наповнення циліндрів покращується.
Закриття впускних клапанів з запізненням після нижньої мертвої точки дозволяє використати силу інерції пальної суміші (повітря) і теж покращити наповнення циліндрів.
Випускні клапани сучасних клапанів відкриваються за 40….600 до приходу поршня у нижню мертву точку і закривається через 15…200 після проходження поршнями верхньої мертвої точки.
Тривалість фази випуску сучасних двигунів приблизно рівна тривалості фази впуску. Наприкінці такту випуску і на початку такту впуску впускні та випускні клапани деякий час остаються відкритими. Такий стан називають перекриттям клапанів.
Перекриття клапанів сприяє кращому очищенню циліндрів в результаті продувки його свіжим зарядом. Фази газорозподілу підбирають при розробці конструкції двигуна під час випробувань дослідних зразків і вони залежать від типу двигуна, типу системи живлення паливом та повітрям, швидкохідності двигуна, наявності електронних автоматичних систем керування тощо.
Рис. 24. Діаграми фаз газорозподілу чотиритактних двигунів:
а)- типова діаграма; б) ЗИЛ-131; в) КАМАЗ-740.
Для забезпечення оптимальних фаз газорозподілу при різних обертах колінчастого вала та навантаженні двигуна застосовують автоматичні електронні системи регулювання фаз газорозподілу. Електронні системи керування забезпечують, в залежності від навантаження та обертів колінчастого вала, зміну кута відкриття та закриття і висоти піднімання клапанів.
Рис. 25. Механізм змінення фаз газорозподілу
Механічні втрати в сучасних газорозподільних механізмах двигунів понижуються наступними способами.
- Посиленням допусків на виготовлення деталей двигунів.
- Зменшенням інерційності розподільного валу та його приводу. Виготовленням розподільних валів порожнистими за наступною технологією: на охолоджену в рідкому азоті трубчасту заготівлю валу насаджуються окремо виготовлені куркульки.
- Застосуванням мастил з низькою в'язкістю, які теж частково збільшують ККД, оскільки знижуються втрати на тертя, як при перекачуванні по масляних каналах, так і усередині самого масла.
- Розширенням застосування різних антифрикційних покриттів, здатних значно зменшити силу тертя, а також використання деталей, виготовлених на снові з'єднань нітриду і карбіду кремнію, тобто кераміки.
Рис. 26. Головка блока двигуна BMW з системою Valvetronic
Питання економічності сучасних двигунів на сьогодні вирішуються шляхом мінімалізації витрат палива, удосконаленням бензинових двигунів, все більшим застосуванням дизельних двигунів, гібридних силових установок.
Застосування багатоклапанного (від 3 до 5 клапанів на циліндр) газорозподілу дозволяє понизити насосні втрати і збільшити потужність і економічність двигуна. 4‑циліндрові 8‑ і 16‑клапанних двигунів Автоваза: при однаковому об'ємі 1,5 літра один з них видавав 58 кВт, а інший - 69.
Окрім багатоклапанного газорозподілу застосовуються фазозміни на газорозподільних валах, що допомагає здійснювати постійне регулювання фаз впускання і випуску. Особливо в цій області досягли успіху німецькі і японські інженери. Наприклад, система VANOS від BMW, яка уперше з'явилася у двигуні серії М50 в 1992 році і дозволяла регулювати фази відкриття і закриття тільки впускних клапанів. Через деякий час з'явилася система BI - VANOS, яка керувала вже як впускними, так і випускними клапанами.
Рис. 27. Система Bi-Vanos двигуна BMW зміни висоти піднімання клапанів
На малих оборотах двигуна момент відкриття впускного клапана запізнюється, що забезпечує паливну економічність і підвищує крутний момент. При середніх оборотах двигуна клапани відкриваються трохи раніше, це дозволяє збільшити крутний момент і значно понизити викиди шкідливих речовин в атмосферу. На високих же обертах двигуна впускні клапани відкриваються з незначним запізненням, завдяки чому значно збільшується потужність в зоні максимальних оборотів, оскільки в циліндрі створюється більше розрідження, а значить, і повітря в циліндри потрапляє значно більше. Нещодавно, уперше у світі, на автомобілях Lexus з'явилися сиситеми зміни фаз газорозподілу з електроприводом, які дозволяють регулювати фази газорозподілу практично з нульових оборотів двигуна, що в принципі неможливе для систем зміни фаз з використовуванням гідропривода.