Зміщення фаз

Системи регулювання величини підйому клапанів (Honda i - VTEC, BMW Valvotronic, Porsche VarioCam Plus) значно покращують як характеристики двигуна, так і паливну економічність. У системі Valvetronic компанії BMW інженери вирішили відмовитися від дросельної заслінки, хоча в процесі доведення її все-таки залишили, вона стала служити для діагностики системи Valvetronic і знаходиться постійно у відкритому положенні. При управлінні процесом подачі повітряної суміші за допомогою дроселя виникають значні аеродинамічні опори і завихорення, особливо при неповному відкритті заслінки. Регулювання кількості повітряної суміші в системі Valvetronic відбувається за рахунок зміни величини підйому клапанів, тобто сам клапан при цьому виконує функцію дросельної заслінки. Для цього розроблений спеціальний механізм, що дозволяє регулювати підйом клапана в межах від 0 до 10 мм. При цьому розподільний вал керує відкриттям клапана через спеціальний важіль, який має можливість міняти своє положення в просторі, тим самим змінюючи величину переміщення коромисла, яке безпосередньо

впливає на клапан. Регулювання положення важеля здійснюється за допомогою черв'ячної передачі і електромотора, а усім цим процесом керує комп'ютер.

Застосування цієї системи привело до того, що на малих оборотах знизилося споживання палива, а на великих зросла потужність, оскільки значно збільшилася швидкість заповнення циліндрів паливно-повітряною сумішшю. При цьому значно зменшився час реакції на педаль подачі палива.

Але у двигунів, оснащених цією системою, з'явився новий недолік - відсутність розрідження у впускному колекторі, яке потрібне для роботи вакуумного підсилювача гальм. Проблема була вирішена створенням вакуумного насосу.

Система відключення роботи циліндрів

Рис. 28. Двигун автомобіля з безпосереднім впорскуванням бензину

Окрім таких високотехнологічних заходів, як електропривод водяного насоса, генератора, що відключається, електропідсилювача рульового керування, вживаних для збільшення економічності двигунів, використовуються також і інші, радикальніші способи. Наприклад, відключення частини циліндрів на холостому ходу, або в режимах часткових навантажень у багатоциліндрових двигунів. Причому до недавнього часу цими системами користувалися в основному американські конструктори, система відключення циліндрів Displacement - on - Demand ("робочий об'єм на вимогу") від компанії General Motor. Після досягнення двигуном робочої температури электроника отримавши інформацію від різних датчиків, і якщо вона виявляє, що мотор працює в режимі часткового навантаження, то припиняє подачу палива в половину циліндрів. Для уникнення вібрацій циліндри відключаються по діагоналі. Максимальний досягнутий ефект економії палива склав 25% від номінального, і це досить непоганий результат. Схожу систему представила і компанія Honda, показавши громадськості новий 3,4‑літровий 6‑циліндровий двигун, в якому під час стабільного руху автомобіля відключаються 3 циліндри.

Підвищується економічність і коефіцієнт корисної дії двигуна також за допомогою досконалішої системи запалення. Наприклад двигуни з системою Twin Spark від Alfa - Romeo, де використано дві свічки на циліндр. Друга свічка запалення дозволяє забезпечити повніше згорання палива, підвищує ККД, та знижується споживання палива і покращується детонаційна стійкість. Так в 12‑циліндровому турбірованному двигуні від Mersedes, де питання детонації стоїть найгостріше, застосована система запалення з двома свічками на циліндр.

Сьогодні двигун, окрім покращення паливної економічності і ККД поршневого двигуна, устатковується різними електронно-механічними системами. При використанні чавунного блоку циліндрів, коливання, що виникають в сірому чавуні, гасяться приблизно в 10 разів швидше, ніж в сталі. Боротьба за зменшення масових показників, привела до використання головки блоку зі спрлаву алюмінію. У біметалічному блоку циліндрів 3‑літрового 6‑циліндрового двигуна від BMW внутрішня частина, більше навантажена частина блоку циліндрів до сорочки охолодження виконана з алюмінієвого сплаву з великим змістом кремнію. А зовнішня частина, менш навантажена, зроблена з магнієвого сплаву. Технологія отримання такого блоку циліндрів дуже складна, а економія маси складає приблизно 10 кг в

порівнянні з суцільним алюмінієвим блоком. Якщо вдається з однієї деталі зменшити декілька кілограмів або навіть грамів, то в сукупності ми отримуємо величезний виграш по масі. Слід сказати, що під час впровадження алюмінію в двигунобудування інженери зіткнулися з проблемою малої зносостійкості металу. Тому згодом були розроблені спеціальні покриття, що оберігають дзеркало циліндра від зносу.

Одним з таких покриттів був широко відомий "Никасил" - з'єднання жаростійкого нікелю зі зносостійким карбідом кремнію. Окрім зниження маси автомобільні компанії намагаються понизити витрати, пов'язані з розробкою і виробництвом двигунів.

Тенденції розвитку в найближчі 10 років:

Основний напрям розвитку - це гібридизація, причому акцент ставиться на бензино-электрический тандем, хоча дизельно-електричний напрямок більше виправданий, тому, що є економія палива. Використання водню, швидше за все, дещо сповільниться, оскільки виробництво та застосування водню дороге. Необхідно спочатку отримати водень, а з водню вже за допомогою дорогих паливних елементів – електричний струм.

Є перспективи створення двигуна, оснащеного гідравлічним або електромагнітним приводом клапанів. Це нововведення дозволить відмовитися відразу від двох систем: регулювання фаз газорозподілу і величини підйому клапанів. Це дає змогу підвищити ККД, оскільки не треба буде приводити в обертальний рух масивні елементи системи газорозподілу.

Ведуться роботи по створенню двигуна, оснащеного системою регулювання міри стискання пальної суміші (повітря), що допоможе значно підвищити економічність.

Подальший розвиток отримають двигуни з малим робочим обємом, оснащені турбонаддувом, оскільки співвідношення потужності і крутного моменту до одиниці маси у них досить велике. Генератор може приводитись в дію від відпрацьованих газів, оскільки енергія відпрацьованих газів має велику величину, а практично не використовується. Говорячи про двигуни, не варто забувати дизелі, які отримають чисельну перевагу в майбутньому, тому що вже сьогодні в Європі продається більше автомобілів з дизельними двигунами, ніж бензинових.

Рис. 30. Робота турбонадуву двигуна Тенденції розвитку конструкції механізму газорозподілу

Удосконалення механізму газорозподілу зіграло дає можливість поліпшення показників роботи двигунів. Примітно, що як на початку автомобілебудування, так і нині газорозподіл автомобільних двигунів залишається у величезній більшості клапанним, не дивлячись на те, що було запропоновано і застосовувалося на практиці багато інших систем газорозподілу: двохгільзове, одногільзове, кран, золотникове та ін.

Тенденції розвитку деталей клапанного газорозподілу, інших систем:

Клапани призначені для відкривання та закривання впускних і випускних отворів, розташованих у головці блоку циліндрів, або у блоку циліндрів.

Для зниження опору впуску заряду в циліндр, впускні клапани роблять більшими по діаметру головок, ніж у випускні. Кожен клапан складається з головки та стрижня. Перехід від головки до стрижня плавний, що забезпечує кращому обтіканню газами. Для герметичного закривання клапана на його головці по діаметру зроблена конічна фаска, яка забезпечує щільне притискання до фаски сідла.

Оскільки клапани працюють в умовах високих температур та піддаються корозійній дії газів, їх виготовляють з високолегованих сталей. Так температура випускного клапана може сягати 600⁰…800⁰ , тому його виготовляють з сильхромових або хромонікельвольфрамових сталей, а впускного 300⁰…400⁰ і його виготовляють з хромонікелевих або хромистих сталей зі змістом вуглецю близько 0,4%. У сучасних клапанів головку і стрижень виготовляють з різних сталей а потім зварюють. На посадові фаски випускних клапанів наплавляють жаростійкий сплав.

Направляючі втулки клапанів виготовляють з металокерамічних пористих матеріалів. Іноді для покращення охолодження випускних клапанів порожнину стрижня заповнюють натрієм.

Для забезпечення притискання клапанів до сідел встановлюють пружини з різними діаметрами. Пружини кріпляться у верхній частині стрижня за допомогою тарілок та розрізних конічних сухариків, які входять у пази на стрижні клапана та фіксуються. Деякі клапани обладнуються механізмами повороту клапана, що покращує довговічність та рівномірність зношення робочих поверхонь. Поверхні клапанів у процесі роботи постійно змащуюся. При попаданні масла у нижню частину клапана приводить до створення на головці та стрижні клапана небажаного нагару.

Для запобігання попадання масла у нижню частину клапана та у циліндр двигуна використовують гумові самопідтискні сальники.

На сучасні двигуни для покращення наповнення циліндрів пальною сумішею та більш повного видалення відпрацьованих газів встановлюють по два впускних та випускних клапани.

Для забезпечення щільності притискання та герметичності клапани перед встановленням притирають до сідел.

Найкращими з точки зору нелогічності являються клапани з плоскою голівкою, оскільки усі інші клапани, складніші у виготовленні, не мають перед ними особливих переваг. Якщо необхідно поліпшити наповнення і усунути небезпеку викривлення впускних клапанів більшого діаметру, то переваги мають тюльпаноподібні клапани, але виробництво їх складніше і дорожче. Краще очищення циліндра від відпрацьованих газів, дають грибоподібні випускні клапани Найбільш проста, легка і швидка висадка із стержня клапанів з плоскою голівкою сприяла масовому випуску.

Перехід на кут фаски, рівний 45°, був зроблений для того, щоб усунути цей недолік клапанів з плоскою фаской.

зменшення діаметру голівки випускного клапана завжди бажано для усунення викривлення і кращої тепловіддачі, оскільки клапан працює при вищих температурах (до 800°, а іноді і вище), тоді як температура впускного клапана набагато нижча.

Для роботи випускних клапанів найкращою виявилася кремнехромиста сталь, так званий "сільхром" зі змістом 2,0-3,5% Si і до 9,5% Cr. Для впускних клапанів знаходить застосування сільхром зі змістом хрому до 3,5% або дешевша хромиста сталь 40Х, а для двигунів великої потужності - 40ХН. Для економії жаротривких сталей застосовують, особливо для двигунів вантажних автомобілів масового виробництва, зварні біметалічні випускні клапани, голівка яких виготовлена з жаротривкої сталі, а стержень - з середньовуглецевої.

Вставні сідла виготовляються з легованого чавуну або спеціальної жаростійкої сталі. Жаростійкі вставні сідла клапанів значно збільшили зносостійкість як клапанів, так і сідел і подовжили міжремонтний пробіг автомобіля.

Ще сприятливіші результати дає заповнення порожнині стержня металевим натрієм, легкоплавким і значно більше теплопровідним. Ефективність натрієвого охолодження усебічно перевірена на роботі авіаційних двигунів.

У автомобілебудуванні натрієве охолодження клапанів знаходить застосування останніми роками. Що широко розвинулася за останні 15 років загартування деталей СВЧ знайшло застосування і в термічній обробці розподільних валів, де поверхневому загартуванню піддають робочі поверхні кулачків і шийок. Слід підкреслити, що введення вуглецевих сталей замість легованих, переважно хромонікелевих, знайшло застосування на заводах масового випуску, споживаючих величезні кількості матеріалів.

Рис. 31.Триклапанний газорозподільний механізм з верхнім розташуванням клапанів та розподільних валів і з двома свічками запалювання.

Для приводу клапанів використано вісь з коромислами.

Рис.32. Газорозподільний механізм з верхнім розташуванням розподільних валів та клапанів, з роликами у важелях приводу клапанів

Використання двох впускних та двох випускних клапанів дає можливість покращити наповнення циліндрів пальною сумішею (повітрям), покращити повноту та швидкість видалення з циліндрів відпрацьованих газів. За рахунок цього підвищується потужність двигуна та покращується паливна економічність.

Рис. 33. Пятиклапанний газорозподільний механізм з верхнім розташуванням клапанів та розподільних валів, роликовим приводом клапанів та механізмом натягування ланцюга

Від верхнього розподільного валу до клапанів в сучасних конструкціях передача часто здійснюється за допомогою коромисел, що дозволяє розміщувати клапани під будь-якими кутами до осі циліндра і отримувати найбільш вигідну форму камери згорання. Передача безпосередньо від верхнього розподільного валу, до клапанів дозволяє встановлювати клапани в площині валу, але ускладнює і здорожує виробництво, оскільки вимагає виконання регулювального пристрою в стержні клапана. Щоб не збільшувати масу штовхача (щоб уникнути зростання сил інерції клапанного механізму) стали виконувати штовхальники порожнистими. Беззазорні гідравлічні штовхачі забезпечують безшумність при роботі двигуна, зменшують знос поверхонь торкання клапана і штовхальника, дозволяють отримувати максимальну величину "час - переріз" і деяке ускладнення конструкції цілком окупається достоїнствами цієї системи. З'явившись в 30-х роках, гідравлічні штовхачі знаходять усе більш широке застосування в новітніх моделях двигунів.

Поліпшення якості ланцюгів і удосконалення натягачів дозволило створити надійні конструкції ланцюгових передач, що отримали поширення як в двигунах автомобілів високого класу, так і в тих випадках, коли застосування ланцюга значно спрощує конструкцію (завдяки можливості здійснити передачу між декількома валами, не вимагаючи при цьому проміжних шестерень). Практика показала перевагу марганцевистої сталі, 0,5-0,7%, що містить, З і 0,5-0,9% Mn. Сталь марки 65Г переважно застосовується для пружин вітчизняних автомобілів і в переважній більшості зарубіжних конструкцій. Сталі з підвищеним вмістом інших легуючих домішок нині не використовуються. Марганцевиста ж сталь, разом з дешевизною, цілком задовольняє вимогам, що пред'являються до пружинних сталям. По конструкції нині (переважають циліндричні спіральні пружини.

Для підвищення міцності клапанних пружин, що часто ламаються внаслідок втоми, знайшла застосування дробеструйная обробка. Крім того, в цілях усунення резонансу клапанних пружин при великих числах оборотів застосовується нерівномірний крок навивки дроту, що змінює період власних коливань залежно від величини деформації. Постановка двох пружин на кожен клапан, що зрідка зустрічалася в автомобільних двигунах старих конструкцій, знову знаходить застосування у зв'язку зі збільшенням числа оборотів колінчастого валу двигунів і зростанням інерційних сил в клапанному механізмі, особливо при конструкції з верхніми клапанами і приводами з штангами і коромислами від нижнього розподільного валу.

Постановка декількох пружин дозволяє отримати при малій висоті пружин досить великі зусилля, крім того, критичні числа декількох окремих пружин вищі, ніж одній. Утримування клапана при поломці однієї пружини і усунення провалювання його в циліндр можна забезпечити і без збільшення числа пружин постановкою запобіжного кільця на стержні клапана, що широко практикується у сучасних двигунах з верхніми клапанами.

Для високооборотних двигунів застосовувалися в окремих конструкціях шпилькові пружини, що дають можливість зменшити габарити клапанного механізму по висоті, а головне, що знижують вагу зворотно-поступальний частин, що рухаються. Для цієї ж мети нині на деяких автомобілях застосовуються торсіонні пружини кріплення клапанів сухарями в кільцевій проточці стрижня клапана.

Удосконалення клапанного розподілу і, зокрема, досягнення повної безшумності роботи і підвищення коефіцієнта наповнення дозволили довести показники роботи клапанних двигунів до необхіднихвеличин.

Нині механічний привод клапанів потрібує потужності 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). Застосування електричного приводу не лише покращує енергетичний баланс, а відповідно, зменшує витрати палива, але і може здійснюватися регулювання часу відкриття клапанів залежно від навантаження на двигун. Для цього необхідна потужність в 4-5 кВт.

Рис. 34. Привід клапанів газорозподільного механізму двигуна

Renault з допомогою соленоїдів-електромагнітів

Рис. 35. Датчики електронної системи керування зміни фаз газорозподілу двигуна 1ZR-FE Тойота

Рис. 36. Фази газорозподілу двигуна 1ZR-FE з електронним керуванням

Найбільш поширений привід розподільних валів і використовується при розташуванні клапанів у головці блока циліндрів. Для правильного збирання приводу на колінчастому валу та шестірнях приводу розподільних валів роблять мітки, які повинні співпадати з мітками на корпусі при виставленні поршня першого циліндра у верхню мертву точку. При розташуванні розподільного валу у блоку циліндрів, використовується, як правило, шестірневий косозубий привід. Одна шестірня розташована на розподільному валу, а друга на колінчастому валу. Для правильного збирання такого приводу на торцевих поверхнях зубчатих коліс роблять відповідні мітки.

Рис. 37. Нижнє розташування розподільного вала у блоці

двигуна ОМ 457 LE Мercedes-Benz Axor

Під час роботи кулачки натискають на штовхачі та штанги, які тиснуть на один з кінців коромисел і заставляють їх повертатись навколо осі коромисел. Повертаючись навколо осі інший кінець коромисла тисне на поперечину, відокремлює головки клапанів від сідел і опускає впускні або випускні клапани, поєднуючи таким чином простір у циліндрі з простором впускного або випускного трубопровода. Після провертання розподільного вала на деякий кут, кулачок обертаючись виходить з під штовхача і впускний (випускний) клапан під дією пружини підходить до сідла та опускається на нього, а всі інші елементи приводу займають вихідне положення.

Розподільний вал передає зусилля від колінчастого вала через кулачки до клапанів та їх відкриває (закриває) у строго визначеному порядку (куту повороту колінчастого вала). Виготовляється з вуглецевої сталі 45, або спеціального чавуну і є однією з основних деталей газорозподільного механізму.

Розташування розподільного вала у блоку циліндрів спрощує його привід, але ускладнює привод клапанів.

Рис. 38. Газорозподільний механізм двигуна Мерседес з автоматичною

постійною зміною довжини впускного трубопроводу, що покращує наповнення циліндрів пальною сумішею

Рис. 39. Двигун Хонда з VVT-1( зміною кута відкривання клапанів)

Рис. 40. Газорозподільний механізм двигуна 1ZR-FE Тойота

Рис. 41. Ланцюговий привід розподільних валів та масляного насоса двигуна 1ZR-FE Тойота.Установка розподільних валів

Рис. 42. Газорозподільний механізм та роликовий

привод насос - форсунки двигуна V10TDI

Рис. 43. Газорозподільний механізм дизеля VW Lupo 3L з роликовим приводом насос - форсунки

Рис. 44. Гідравлічний регулювальний механізм

натягування приводу розподільних валів

Рис. 45. Механізм приводу розподільних валів та гідравлічний

механізм натягування ланцюга приводу розподільних валів