Подбор эффективных фаз газораспределения

Обычно подбор наиболее эффективных фаз газораспределения (ФГР) выполняется на стадии доводки двигателя предприятием-изготовителем. Как правило, ФГР подбираются такими, чтобы обеспечить экстремальное значение какого-либо одного наиболее важного с точки зрения настройщика параметра двигателя. Таким параметром может быть мощность (среднее эффективное давление ), крутящий момент , удельный эффективный расход топлива содержание токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) двигателя и др. При этом подбираются профили впускных и выпускных кулачков распределительного вала, определяющие ускорение и время-сечение открытия клапанов, а также взаимное положение распределительного (распределительных) и коленчатого валов, от которого зависит момент начала открытия клапанов. При подборе ФГР нельзя пренебрегать значениями ограничительных факторов, например, максимально допустимым значением температуры отработавших газов (ОГ).

Очевидно, что изменение профилей кулачков распределительного вала в процессе работы двигателя нецелесообразно из-за значительной громоздкости и недостаточной надежности соответствующего исполнительного механизма и снижения по этой причине надежности двигателя в целом. Поэтому при выбранных в процессе доводки профилях кулачков дальнейший подбор ФГР заключается обычно в установке такого момента начала открытия клапанов, при котором происходит более эффективное наполнение цилиндров свежим зарядом.

Другой подход к увеличению наполнения цилиндров заключается в замене имеющегося распределительного вала на нестандартный, с расширенными фазами газораспределения. Такой тюнинг карбюраторных и инжекторных двигателей ВАЗ-21083 с рабочим объемом 1,5 л и карбюраторных двигателей ВАЗ-21080 (1,3 л) выполняет петербургское предприятие "Автотрон". Устанавливаемый нестандартный распределительный вал с расширенными ФГР имеет увеличенную высоту профиля кулачков, что позволяет увеличить ход клапанов до 10,2 мм. Кроме установки нового распределительного вала, производится обработка по шаблону контуров отверстий впускных каналов у фланцев головки цилиндров и у фланцев впускного коллектора с последующей установкой коллектора на направляющие штифты. Для тонкой настройки ФГР на распределительный вал устанавливается разрезная шестерня привода, позволяющая изменять положение ее зубчатого венца относительно ступицы. На заключительной стадии работ выполняется регулировка клапанов, систем питания и зажигания, а также регулировка уровня эмиссии и . После выполнения всех работ подвергнутый тюнингу двигатель при 5900 1/мин развивает мощность 58,9 кВт (80 л.с.), кроме того, его максимальный крутящий момент в диапазоне средних частот вращения KB несколько увеличивается. Предприятие дает гарантию на все виды выполненных работ.

Эффективность наполнения цилиндров характеризуется значением коэффициента наполнения . Коэффициент наполнения представляет собой отношение количества свежего заряда, поступившего в цилиндр к моменту действительного начала сжатия, к тому количеству заряда, которое теоретически могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при неизменных условиях на впуске. За момент действительного начала сжатия заряда в цилиндре 4-тактного двигателя принимается момент закрытия впускных клапанов. Условия на впуске для двигателей без наддува характеризуются давлением и температурой , где - параметры окружающей среды. Для двигателей с наддувом условиями на впуске являются давление и температура после компрессора.

Следует заметить, что найденные для определенной частоты вращения KB наиболее эффективные фазы газораспределения при другой частоте вращения таковыми уже не являются, так как не обеспечивают соответствующего наполнения цилиндров. Поэтому в подавляющем большинстве случаев фактически производится регулировка момента начала открытия клапанов для наиболее характерного в процессе эксплуатации скоростного режима работы двигателя. Общей тенденцией для впускных и выпускных клапанов, имеющей место с ростом частоты вращения KB, является более раннее начало и увеличение продолжительности их открытия по углу ПКВ.

Обычно ФГР настраиваются или для скоростного режима, близкого к номинальной мощности двигателя (быстроходная регулировка), или для скоростного режима в зоне максимального крутящего момента (тихоходная регулировка). Качественные различия в изменении мощности и крутящего момента двигателя от частоты вращения KB при работе двигателя по внешней скоростной характеристике для быстроходной и тихоходной регулировки показаны на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Внешняя скоростная характеристика двигателя при быстроходной (1) и тихоходной (2) регулировке: - эффективная мощность, - эффективный крутящий момент, - частота вращения KB

 

Более благоприятные условия для подбора эффективных фаз газораспределения имеются у двигателей, где управление впускными и выпускными клапанами осуществляется отдельными распределительными валами. При управлении клапанами с помощью одного распределительного вала можно вести речь о эффективной настройке ФГР или только для впускных, или только для выпускных клапанов. Настройка ФГР должна выполняться в условиях испытательного стенда, позволяющего производить нагрузку двигателя по внешней скоростной характеристике и контролировать все необходимые параметры.

В качестве примера рассмотрим последовательность настройки ФГР из условия обеспечения максимального среднего эффективного давления для карбюраторного двигателя во всем диапазоне частоты вращения КВ. Заметим, что развиваемая бензиновым двигателем мощность зависит не только от наполнения цилиндров, но и от качественного состава горючей смеси, который характеризуется коэффициентом избытка воздуха . Коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение количества воздуха, действительно поступившего в цилиндр на момент закрытия впускных органов, к тому количеству воздуха, которое теоретически необходимо для полного сгорания поступившего в цилиндр топлива.

Сначала при неизменной регулировке карбюратора и неизменных фазах открытия и закрытия выпускного клапана, установленных заводом-изготовителем, получим зависимости коэффициента избытка воздуха от частоты вращения KB при разных значениях угла начала открытия впускного клапана . Скорее всего, окажется, что разброс значений при разных значениях будет неодинаковым, т.к. на , по крайней мере, будут влиять волновые процессы во впускном трубопроводе.

При значении , для которого имеет место максимальный разброс значений , экспериментально найдем зависимости , , , и построим соответствующие графики. Пример графической интерпретации полученных результатов показан на рис. 2.2.

Из рисунка видно, что с увеличением запаздывания угла начала открытия впускного клапана значения и монотонно уменьшаются. Поэтому, если характер изменения и связывать только с изменением значения , то это приведет к неправильным выводам. Дело в том, что в результате выталкивания поршнем заряда из цилиндра перед закрытием впускного клапана происходит падение , а это, в свою очередь, влечет за собой уменьшение .

 

Рис. 2.2. Влияние фаз открытия и закрытия впускного клапана на параметры рабочего процесса при неизменной регулировке карбюратора

 

Чтобы исключить в последующих опытах влияние на , карбюратор на каждом нагрузочном режиме путем регулировки главного жиклера должен настраиваться на значение , при котором в предыдущих опытах было достигнуто максимальное значение . Из рис. 2.2 следует, что в данном случае для всех нагрузочных режимов должно быть выполнено условие .

Далее выполняются эксперименты, целью которых является определение зависимости сначала при различных значениях угла начала открытия впускного клапана и неизменном (заводском) значении угла начала открытия выпускного клапана , а затем наоборот, при различных значениях и . При проведении экспериментов для каждой постоянной частоты вращения KB необходимо определить интервал , в котором значение полученное при конкретном значении угла начала открытия клапана, оставалось бы неизменным.

Из полученных результатов очевидно, что при минимальной, средней и номинальной частоте вращения KB для получения максимального значения требуются разные фазы газораспределения.

 

Рис. 2.3. Подбор эффективных фаз газораспределения для широкого диапазона частоты вращения KB

 

Поэтому для обобщения результатов строится диаграмма, у которой по оси абсцисс откладываются значения , а по оси ординат - значения . На эту диаграмму наносятся максимальные значения при минимальной, средней и номинальной частоте вращения KB, как это показано на рис. 2.3. Затем вокруг этих значений строятся, например, линии . Если область, в которой линии всех максимумов пересекаются, отсутствует, то строят .

В результате таких построений определяется область значений углов начала открытия клапанов (на диаграмме эта область заштрихована), в которой на каждом скоростном режиме обеспечивается . Для получения желаемого результата остается выставить на двигателе такие значения и , чтобы соответствующие этим значениям линии пересекались на диаграмме в заштрихованной области.

Аналогично находится область ФГР, в которой обеспечивается минимальное значение . В пределах найденных областей ФГР для и значения и следует выставить такими, чтобы они, по возможности, обеспечивали получение во всем скоростном диапазоне как , так и .

Заметим, что приведенную выше задачу можно решить с минимальными затратами времени и материальных ресурсов, если для оптимизации ФГР воспользоваться методом градиента, известным из теории планирования эксперимента.

В качестве отправного момента в первом приближении для автомобильных двигателей можно принять ФГР, приведенные в табл. 2.1.

 

Таблица 2.1

Фазы газораспределения автомобильных двигателей, ° ПКВ
Впускной клапан	Выпускной клапан
Угол начала открытия	Угол закрытия	Угол начала открытия	Угол закрытия
Бензиновые двигатели
10...20 до ВМТ	35...45 после НМТ	45...55 до НМТ	5...15 после ВМТ
Дизельные двигатели
0…30 до ВМТ	30...50 после НМТ	30...55 до НМТ	5...40 после ВМТ

 

Следует заметить, что точно выставить фазы газораспределения можно лишь в случае, когда указывается, при каком значении зазора в приводе клапанов эти фазы имеют место.

Применительно к карбюраторным двигателям необходимо также учитывать, что слишком раннее открытие впускных клапанов при работе на частичных нагрузках ведет к забросу отработавших газов во впускной трубопровод, что ухудшает воспламеняемость горючей смеси.

Для расширения скоростного диапазона устойчивой работы наиболее высокооборотных бензиновых двигателей в отдельных случаях применяется автоматическая регулировка фаз газораспределения во всем диапазоне частоты вращения KB непосредственно во время работы двигателя. В качестве примера можно сослаться на устанавливаемый на автомобили BMW 320i и 325i однорядный 6-цилиндровый бензиновый двигатель М-50, который (начиная с сентября 1992 г.) оснащен механизмом динамической регулировки фаз газораспределения, получившим сокращенное обозначение VANOS (от немецкого словосочетания variable Nockenwellensteuerung). Исполнительный механизм включает в себя расположенный в корпусе поршень, переходящий в шток с винтовыми шлицами. Эти шлицы входят в зацепление с соответствующими шлицами, выполненными в зубчатом колесе для привода распределительного вала, управляющего впускными клапанами. Перемещение поршня и его штока в направлении оси распределительного вала приводит к изменению взаимного положения зубчатого колеса и вала. При этом ход поршня и обусловленное им изменение положения распределительного вала зависят от давления масла, подводимого к корпусу исполнительного механизма по отдельному маслопроводу. Блок управления двигателем с помощью электромагнитного клапана, расположенного в корпусе исполнительного механизма, регулирует давление масла в зависимости от частоты вращения КВ.

Рис. 2.4. Изменение коэффициента наполнения при работе двигателя по внешней скоростной характеристике при быстроходной (1) и тихоходной (2) регулировке фаз газораспределения

 

Применение этого механизма позволило уменьшить значение скоростного коэффициента с 0,797 до 0,712 при практически неизменном значении коэффициента приспособляемости = 1,074. В данном случае механизм VANOS, плавно изменяя момент открытия впускных клапанов в зависимости от скоростного режима, обеспечивает максимальные значения во всем диапазоне частоты вращения КВ. Качественный характер изменения в зависимости от вида регулировки показан на рис 2.4.

Из рисунка видно, что с увеличением частоты вращения KB максимальное значение имеет тенденцию к снижению вследствие возрастания аэродинамических потерь из-за повышения скорости воздушного потока во впускном тракте.

Совершенно очевидно, что подобный тюнинг ГРМ под силу выполнить только самому предприятию-изготовителю двигателя, так как для этого требуется мощная экспериментальная и производственная база. Наибольшее, что доступно обычному предприятию автосервиса, - это подбор эффективных фаз газораспределения путем изменения взаимного положения распределительного и коленчатого валов. В лучшем случае - это изготовление нового распределительного вала с измененными профилями и углами заклинки кулачков.