ГРМ основы

[Вилли]

На примере автомобилей.

Теория: Фазы газораспределения (часть 1)

Технику, автомобили и мотоциклы часто сравнивают с живыми существами и даже с людьми. Для этого есть все основания. Взять хотя бы систему фаз газораспределения. Она наделяет мотор характером.
Причем как у человека темперамент почти не зависит от антропометрических данных, так и одинаковые по своей внутренней геометрии двигатели могут сильно отличаться нравом.

Стандартные настройки!

Как складывается личность человека и его характер – вопрос сложный. С моторами несколько проще. Их характер задается волею создателя на стадии доводки силового агрегата. В стремлении достичь наилучших показателей по выбранным приоритетным направлениям, будь то мощность, крутящий момент или экономичность, в моторах настраивают фазы газораспределения.

Исходя из множества технологических факторов, отражающихся на себестоимости конечного продукта, конструкторы останавливают свой выбор на определенном виде профиля кулачков на распределительном валу. А дальше – подбор фаз основывается на времени открытия и закрытия клапанов, при котором происходит наиболее эффективное наполнение цилиндров топливо-воздушной смесью.

Как и многое в автомобильной технике, при настройке фаз на заводах-изготовителях автомобилей расчеты на бумаге носят скорее предварительный характер, окончательный же результат получается в процессе стендовых испытаний. Довольно длительный цикл измерений влияния фаз открытия и закрытия клапанов на коэффициент избытка воздуха и максимальное эффективное давление в цилиндре при различных оборотах мотора отображается в многочисленных графиках. На основе полученных данных выбираются фазы клапанов, при которых обеспечивается на минимальной, номинальной и максимальной частоте вращения коленвала 96% от максимума эффективного давления в цилиндре, а также минимальный удельный расход топлива.

Окончательно – для серийных автомобилей – фазы газораспределительного механизма устанавливаются для обеспечения наибольшей эффективности и экономичности в самом востребованном в повседневной эксплуатации диапазоне оборотов. Диапазон этот не так уж и узок, правда, за счет снижения пиковой отдачи двигателя.

Несмотря на покладистость характера серийной настройки, обязанность следить за поддержанием работы мотора в оптимальном режиме с водителя никто не снимал. Подспорьем ему в этом до недавнего времени была лишь многоступенчатая трансмиссия. Отчасти повсеместное распространение «автоматов» и систем изменения фаз облегчили эту задачу, но полностью сделать приспосабливающийся к разным режимам мотор способна лишь система с электронным управлением клапанами, делающая шаги по завоеванию права заменить распредвал во всех конструкциях.

Выбор распредвалов!

Двигатели со стандартными настройками, оптимальными с точки зрения экономичности при повседневной эксплуатации, естественно, содержат нераскрытый потенциал.
Распределительные валы, работающие лучше в зоне высоких оборотов, имеют более широкие фазы, что означает открытие клапана в течение более длительного времени. Это дает больше времени на наполнение цилиндра. Для подобных валов характерно так называемое перекрытие клапанов – состояние, когда и впускные и выпускные клапана открыты. А происходит это при смене такта выпуска на такт впуска еще до достижения поршнем ВМТ. По большому счету, взаимодействие свежего заряда и отработавших газов в этой зоне перекрытия – одна из главных составляющих проектирования распределительных валов (для одновальных конструкций) и их установки (для двухвальных ГБЦ).

Расположение фаз зависит и от топлива. Вернее, от скорости его сгорания. Например, впрыскивание закиси азота увеличивает ее, топливо сгорает уже на середине рабочего хода – значит, выпускные клапана можно открывать раньше. У моторов, работающих на газе, открытие выпускных клапанов происходит позже – газ горит медленно. Одновременно с этим клапана лучше открывать быстро, и желательно – на полную величину, но это ограничивается прочностными возможностями деталей механизма газораспределения.

Перекрытие клапанов!

Выпускной цикл начинается чуть ранее, чем поршень достигает НМТ. В этот момент отработавшие газы находятся в цилиндре под значительным давлением. Поэтому очень соблазнительно использовать эту энергию, не тратя на выпуск запасенную поршнем за рабочий ход силу. И лишь позже, когда поршень пойдет вверх, оставшаяся часть ОГ будет выталкиваться им. Причем избыток давления сгоревшей смеси, ушедший еще до НМТ, не будет оказывать противодавления ходу поршня, вследствие чего не будет тратиться энергия, накопленная рабочим ходом, на выталкивание старого заряда.

Полностью вытолкнуть все остаточные газы из цилиндра поршень не в состоянии. Этому препятствует остающийся зазор между днищем поршня и сводами камеры сгорания. Вытолкнуть из этого зазора остаток газов помогает как раз открытие впускного клапана до прихода поршня в ВМТ, когда выпускной клапан еще открыт. К тому же во время перекрытия инерция выхлопного газа помогает свежему заряду проникнуть в цилиндр – процесс, называемый продувкой. На это накладывается еще и явление резонансной дозарядки цилиндров, но его мы оставим за рамками статьи. Да и не на всех двигателях к тому же используют ее, а иногда и вообще с ней борются.

Эффект от продувки практически полностью зависит от того, когда закроется выпускной клапан и откроется впускной. Если последний открывается рано, то пульсация давления выхлопа передастся и во впускной тракт, что выбросит из цилиндров обратно во впуск часть свежего заряда. Это произойдет вследствие более высокого давления отработанных газов в цилиндре по сравнению с давлением воздуха на впуске. Но все же, поскольку эффект продувки все равно наступит, большая часть отработанных газов покинет состав свежего заряда. Причем при слишком сильном эффекте продувки может произойти даже утечка новой топливо-воздушной смеси в выпускную систему. Особенно этому подвержены компрессорные моторы. В турбированных агрегатах выброс ОГ во впускной тракт несколько меньше, равно и как «пролет» смеси в выхлоп, но перекрытие здесь должно быть меньше, чем у атмосферников.

Как уже отмечалось, эффект от продувки тем выше, чем выше обороты. При увеличении скорости потока меньше давление газа и больше инерции, помогающей пробросу свежего заряда сквозь цилиндр на вылет. Если выпускная система высокоэффективна, то открывать раньше выпускной клапан нет необходимости в сравнении со слегка «задушенной» системой выхлопа. Исходя из тех же тенденций, на высоких оборотах выброс и недостаточная продувка не являются проблемой при повышении оборотов, а вот на ХХ сильно обедняет смесь.
Для большинства атмосферных агрегатов допускается увеличение перекрытия за счет более раннего открытия впускного клапана. Максимальный угол смещения середины перекрытия относительно ВМТ не должен превышать 2°.

При двухвальной системе необходимо установить развал впускных и выпускных кулачков. В одновальной системе этот параметр жестко задан на приобретенном валу. В общем, для четырехтактных двигателей эти углы, по опыту постройки, находятся в известных пределах. Для атмосферных моторов, предполагающих спокойную эксплуатацию, развал клапанов составляет 106-110 градусов. Рэйсерские настройки предполагают угол 98-105 градусов. Для турбированных моторов этот угол лежит в пределах 108-114 градусов.