Фази газорозподілу

Принцип дії

Чим досконаліший газорозподільний механізм, тим краще наповнення циліндрів паливною сумішшю і тим краще видалення з циліндрів відпрацьованих газів.

Привід газорозподільного вала здійснюється від колінчастого вала двигуна і може бути зубчастим, ланцюговим, пасовим. При обертанні розподільного вала кулачки розподільного вала у строго визначеному порядку натискають на штовхач і стрижень клапана тарілкою стискає клапанні пружини та заставляє головку клапана відходити від сідла і відкривати простір у циліндрі та поєднувати його з простором впускного або випускного трубопроводу. При розташуванні розподільних валів над клапанами після наповнення циліндра пальною сумішшю або повітрям кулачок обертаючись виходить з під штовхача і впускний клапан під дією пружини підходить до сідла та опускається на нього. Аналогічно діє випускний клапан після випуску відпрацьованих газів. Клапани рухаються вверх-вниз в направляючій втулці. При розташуванні розподільного вала в головці блока рядом з клапанами, або при нижньому розташуванні у блоку циліндрів в конструкцію включають коромисла та вісь коромисел. У цьому випадку під час роботи кулачок розподільного вала натискає на один з кінців коромисла заставляючи його повертатись навколо осі коромисла, а другий кінець коромисла притискає стрижень клапана з тарілкою, яка стискає пружини та відводить головку клапана від сідла і поєднує простір циліндра з простором впускного або випускного трубопроводу. При повертанні розподільного вала на деякий кут кулачок виходить від коромисла і пружини клапана повертають клапан з тарілкою та коромисло у вихідне положення. Циліндровий простір надійно герметизується головками клапанів.

Привід клапанів може бути електричним з електронним керуванням.

Протяжність відкриття впускних та випускних клапанів, яка виражається в градусах кута повороту колінчастого вала відносно мертвих точок, називають фазами газорозподілу.

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 проміжок часу циліндри двигуна не встигають повністю заповнитись пальною сумішшю 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 реального свіжого заряду. що надійшов до циліндру 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 сумішшю 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 обладнують системою наддування, яка забезпечує подачу повітря (паливної суміші) в циліндр під надлишковим тиском і 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 закривати 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.

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. 36. 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. 37. Датчики електронної системи керування зміни фаз газорозподілу двигуна 1ZR-FE Тойота

Рис. 38. Керування зміною фаз газорозподілу двигуна 1ZR-FE

Рис.39. Фази газорозподілу двигуна 1ZR-FE з електронним керуванням

Рис. 40. Робота подвійних датчиків VVT-1 при невеликому

навантаженні, низьких температурах оточуючого повітря

Рис. 41. Робота подвійних датчиків VVT-1 при середніх навантаженнях

Рис. 42. Робота датчиків VVT-1 при малих та середніх

обертах та великих навантаженнях

Рис. 43. Робота датчиків VVT-1 при великій частоті обертання та навантаженні

Рис. 44. Ремінний привід розподільних валів двигуна Ауді

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, шестернчастий 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. 45. 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 трубопроводу. 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.