Спеціальне завдання: удосконалювання процесу

СПЕЦІАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ: УДОСКОНАЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ

НАПОВНЕННЯ

Збільшити ефективну потужність двигуна і підвищити максимальні оберти його колінчастого валу, що називається форсуванням двигуна, можна двома шляхами:

а) за рахунок підвищення ступеня стиснення, поліпшуючого термічний ККД

б) за рахунок збільшення наповнення циліндрів, що підвищує середній ефективний тиск.

Перший спосіб форсування обмежується антидетонаційними властивостями існуючих палив, так що межею для підвищення ступеня стиснення звичайно є детонація, яка, створюючи ударне навантаження на деталі кривошипно-шатунного механізму, загрожує їх механічній міцності і викликає падіння потужності. Можливість підвищення ступеня стиснення двигуна, крім того, значною мірою залежить від форми камери згоряння і для різних конструкцій неоднакова. Найкращою формою камери прийнято рахувати півсферичну або шатрову. Помилково припускати, що кожне подальше підвищення ступеня стиснення на певну величину дає однаковий приріст потужності. Найбільший виграш в потужності можна отримати в діапазоні ступенів стиснення від 6 до 8; від 8 до 10 ефект буде вже меншим і т.д.

Збільшення коефіцієнта наповнення циліндрів (об'ємного ККД) є найефективнішим способом підвищення потужності двигуна. Вся решта заходів, вельми трудомістких і дорогих приводять до не дуже високих результатів.
Максимальний коефіцієнт наповнення серійного двигуна ВАЗ 21083 приблизно рівний 75%. Тобто в двигун потрапляє кількість повітря рівне 75% від загального об'єму циліндрів. На кращих гоночних атмосферних двигунах (двигуни без наддуву) коефіцієнт наповнення досягає 115-125%. При правильній настройці двигуна з низьким опором системи впуску, можна добитися показників коефіцієнта наповнення вище 100%.
При роботі двигуна в системах впуску і випуску відбуваються хвильові процеси (рис.6.1), їх властивості залежать від багатьох причин: геометричних розмірів і аеродинамічного опору систем впуску і випуску, фаз газорозподілу, обертів двигуна і інших чинників. Зі зміною режимів роботи двигуна форма, частота і амплітуда хвиль змінюються [8].

 

Рисунок 6.1 – Хвильові процеси у впускній та випускній системах

Форсування за рахунок поліпшення наповнення циліндрів горючою сумішшю, тобто підвищення коефіцієнта наповнення, представляє широке поле діяльності і може досягатися різними конструктивними заходами. В першу чергу слід вказати на наступні:

Зміна фаз газорозподілу

Збільшення фаз роботи клапанів корисно, але це тонко збалансована операція. Наприклад, утримання клапана впускання відкритим, після того, як поршень досяг нижньої точки такту впускання практично з кількох причин:
• Потік при низьких величинах підйому клапана мінімальний;
• Навіть якщо колінчастий вал може обернутися на значне число градусів, поршень зсунеться вгору не набагато;
Проте ці переваги незабаром зникають, якщо такт впуску збільшується дуже сильно. В деякий момент поршень, що рухається вгору в циліндрі, починає витискати деяку частину вже втягнутої робочої суміші назад в впускний колектор. Якщо тривалість відкриття клапана збільшується, то потужність почне падати, особливо на низьких обертах.
Збільшення тривалості випуску дає подібні переваги в потужності і подібні обмеження. Відкриття випускного клапана трохи раніше НМТ дозволяє більшій частині відпрацьованих газів з високим тиском вийти самостійно, тобто вони видуваються перед тим, як інші видавлюються рухом поршня. На закінчення, подібно впускному клапану, положення більш раннього відкриття і більш пізнього закриття клапана щодо сідла при такті випуску зменшують опір між клапаном і головкою і покращують характеристики потоку. Проте, якщо випускний клапан відкривається дуже рано, стиснуті гази, які могли б тиснути на поршень і виробляти потужність, звільнятимуться дуже швидко, розсіюючи потенційно корисну енергію.

Розрізна шестерня ГРМ є шестернею з можливістю регулювання положення РВ щодо КВ, звичайно ± 8 град. по РВ (рис.6.2). Ця шестерня із змінним положенням зубчатого вінця щодо ступиці. Установка розрізної шестерні рекомендується із двох причин:
1. Рівень конвейєрного складального виробництва двигунів допускає досить значні відхилення розмірів деталей від заданих креслень. За рахунок відхилення розмірів деталей механізму ГРМ і кривошипно-шатунного механізму фази ГРМ двигунів однієї моделі можуть відрізнятися від номінальних до ±10 град по КВ. Як наслідок - помітна втрата в потужності і моменті.
2. застосування тюнингованих і спортивних РВ із збільшеним підйомом кулачків і зміненим профілем (рис.6.3). Установка такого валу із стандартною шестернею дає надбавку по потужності і моменту. Настройка такого на оптимальні фази ГРМ за допомогою розрізної шестерні додає ще до 3% потужності. Установка тюнингованих валів без настройки фаз ГРМ за допомогою розрізної шестерні втрачає практичне значення.

 

Рисунок 6.2 – Розрізні шестерні

Бажання поліпшити динаміку і максимальну швидкість було у багато кого, і найпростішим способом невеликої надбавки стала заміна стандартного розподільного валу на розподільний вал із зміненими фазами газорозподілу.
Але річ у тому, що на вітчизняних моторах, включаючи 21083, шляхом установки, заміни р.вала неможливо добитися самотнього доброго підйому як моменту, так і макс. потужності.
На моторах іноземних фірм існують системи зміни фаз газорозподілу залежно від обертів двигуна, які дозволяють підтримувати макс. значення крутного моменту в широкому діапазоні обертів. На вітчизняних моторах це не можливо, тому доводиться застосовувати розподільні вали із зміненими, але все-таки фіксованими параметрами кулачка (кут запізнювання закриття впускного клапана і кут перекриття клапанів). На ділі, частіше за все вимагається збільшити динаміку автомобіля.

Для цього необхідно підняти значення моменту Мкр в зоні низьких частот обертання- 2.000-3.000 об\мин., при тому що на більшості стандартних моторів Мкр знаходиться в межах 3.500-4.000 об\мин [9].

Рисунок 6.3 – Розподільчий вал

Valvetronic

Інженери BMW розв'язали цю проблему інакше. До системи Double VANOS (регулює моменти відкриття-закриття клапанів як впускних, так і випускних. Їх конструктивні особливості в тому, що вони приймають сигнали від блоку управління двигуном і враховують не тільки частоту обертання колінчастого валу двигуна, але і навантаження на нього (ступінь відкриття дросельної заслінки)) вони додали механізм Valvetronic, який управляє висотою підйому клапана. Для цього в головку блоку встановили ще один вал, який виконує роль проміжної опори коромисел приводу клапанів. Кут повороту цього валу може змінюватися за допомогою електроприводу, ексцентрик якого змінює положення коромисел, що передають зусилля до клапанів (рис.6.12).

В процесі експлуатації основну частину часу двигун працює на часткових навантаженнях. При цьому питома витрата палива істотно збільшується, адже потужність зменшується, а втрати на тертя і привід агрегатів залишаються практично незмінними. Для бензинових двигунів з дросельною заслінкою ситуація усугубляє тим, що погане згоряння через погіршення вентиляції циліндра (в ньому залишається значна кількість відпрацьованих газів), а ще — збільшенням втрат при ході впуску, коли поршню доводиться «засмоктувати» суміш при розрядці в циліндрі, що доходить до 0,5—0,6 атм. Це відбувається тому що прикрита дросельна заслінка створює опір потоку повітря. Створюючи нові двигуни, BMW пішла шляхом регулювання не тільки довжини впускних каналів і фаз газорозподілу, але і ходу впускних клапанів, створивши оригінальний механізм їх приводу.

Кулачок розподільного валу надає дію не на рокер, а на проміжний важіль, який своєю «підошвою» вже приводить в дію рокер — клапан відкривається. Для зміни ходу клапанів електромотор повертає ексцентриковий вал — змінюється нахил проміжного важеля, а значить, і положення його «підошви». Мінюється хід рокера і, природно, хід клапана. Тепер зниження наповнення циліндрів і, відповідно, потужності двигуна досягається не прикриттям дросельної заслінки, а зменшенням ходу впускних клапанів від максимальних 9,7 мм до необхідної величини (0,3-2,0 мм) на малих навантаженнях і холостому ході. Застосування Valvetronic спільно з регулюванням фаз газорозподілу дозволило практично відмовитися від дросельної заслінки (вона використовується тільки для управління вентиляцією паливного бака, діагности і при аварійному ході). Проте, крім зниження втрат на газообмін, Valvetronic має і інші переваги.

При роботі мотора на малих навантаженнях повітря і паливо потрапляють в камеру згоряння через вузьку щілину — швидкість потоку значно зростає, паливо краще розпилюється — поліпшується сумішоутворення. При малому ході клапанів знижуються механічні втрати на привід клапанного механізму, а також шум двигуна і знос деталей. Ще одне достоїнство — висока швидкість реакцій двигуна на натиснення педалі акселератора: адже тепер повітрю вже не потрібен час на заповнення системи впускання на ділянці між дросельною заслінкою і камерою згоряння. Крім того, виключаються помилки в свідченнях датчика витрати повітря під час розгону [13].

Рисунок 6.12 - Систем Double VANOS з механізмом Valvetronic

 

VTEC

Фахівці Honda підійшли до питання зміни фаз газорозподілу по-іншому. Вони змінили момент і тривалість відкриття і закриття клапанів (впускних, а в деяких поколіннях і випускних) шляхом упровадження в конструкцію розподільчого валу кулачків різного профілю, призначених для роботи на різних режимах. Такий ГРМ отримав назву VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control – електронна система управління часом відкриття і висотою підйому клапанів). Один з профілів забезпечує необхідний час відкриття і висоту підйому клапанів на середніх частотах обертання колінчастого валу. При високій частоті обертання допоміжне коромисло, яке працювало вхолосту з другим кулачком іншого профілю, блокується з основним коромислом. При цьому клапан починає підійматися на велику висоту і довше залишається відкритим. Наповнення циліндра робочою сумішшю поліпшується, внаслідок чого різко збільшується потужність. Блокування коромисел проводиться поршенем, який управляється тиском масла в системі змащення двигуна.

Застосування такого способу регулювання фаз дозволяє одночасно забезпечити економічність при роботі на малих і середніх обертах і високу потужність на великих обертах. Подальший розвиток системи VTEC привів до використовування електроніки для визначення оптимального часу і висоти (тривалості) відкриття клапанів. На відміну від першого покоління VTEC, система працює в трьох режимах: на низьких, середніх і високих обертах. Потім з'явилося третє покоління, у якого один з кулачків зробили круглим. В результаті система при малих оборотах відкриває тільки один клапан впускання замість двох, що дозволяє створити завихрення в циліндрах. Це покращує сумішоутворення, відповідно, з'являється можливість працювати на більш бідних сумішах, що підвищує економічність.

Всього на даний момент існують чотири різні системи: DOHC VTEC, SOHC VTEC, VTEC-E і 3-stage VTEC, але загальний принцип у них однаковий: використовування для конкретного клапана різних за профілем кулачків для різних режимів роботи, шляхом замикання рокерів або коромисел невеликим стрижнем, зсовуваним тиском масла. Тобто, як видно, система дуже проста і надійна.

Система DOHC VTEC

Може бути це звучить дивно, але система VTEC придумана і реалізована більше десяти років тому. В квітні 1989 року в Японії було представлено нове покоління автомобіля Honda Integra, на деяких модифікаціях якого (XSi, RSi, кузови E-DA6, E-DA6) стояв двигун DOHC, який видавав 100 безнаддувних к.с. з одного літра робочого об'єму, але при цьому відрізнявся гарною тягою на низах, паливною економічністю і екологічною чистотою. Це був легендарний B16A, по істині фантастичний двигун, який з невеликими змінами випускається і до цього дня. Hа цьому двигуні встановлена DOHC VTEC система, особливостями якої є наступне:

1. Два розподільчих вала, 4 клапани на циліндр.

2. Використовування рокерів.

3. Hа кожні два клапани доводиться три кулачки на розподільному валу.

4. Система VTEC використовується на обох розподільчих валах, як впускному, так і випускному.

Система DOHC VTEC має два режими. В звичайному кожний клапан управляється своїм кулачком (це зовнішні кулачки в кожній трійці), а в режимі максимальної потужності обидва клапани управляються одним центральним кулачком. Основне призначення системи DOHC VTEC - дуже висока питома потужність (до 100 л.с./л і більше) і добра при цьому тяга на низах.

Система SOHC VTEC

Ця система з'явилася дещо пізніше. Один з перших двигунів, використовуючих SOHC VTEC став оновлений D15B з 130 к.с., 1.5 л, які встановлювалися з 1991 року на Honda Civic. Відмітні особливості цієї системи:

1. Один розподільчий вал, 4 клапани на циліндр.

2. Використовуються роликові коромисла.

3. Hа кожні два впускних клапани доводиться три кулачки.

4. Система VTEC використовується тільки для впускних клапанів.

5. Дріт для свічки проходить між коромислами випускних клапанів.

Система SOHC VTEC має два режими роботи, аналогічні режимам DOHC VTEC. Може показатися, що SOHC VTEC гірше, ніж DOHC VTEC. Це не так, SOHC VTEC має деякі переваги, такі як простота конструкції, менша ширина двигуна, менша вага, можливість відносно легко використовувати її на двигунах попереднього покоління (D15B, ZC/D16A). Hазначение SOHC VTEC звичайно таке ж як і у DOHC VTEC, але не стільки сильно виражене, а для слабофорсованих двигунаів - згладжування кривої крутного моменту.

Система SOHC VTEC-E

Що з'явилася одночасно з SOHC VTEC і схожа з нею по деяких конструктивних особливостях, ця система проте використовується для іншої мети. Для того, щоб зрозуміти якої, подивимося особливості:

1. Один розподільчий вал, 4 клапани на циліндр.

2. Використовуються роликові коромисла.

3. Hа кожні два впускних клапани доводиться два кулачки, один з яких є просто кільцем.

4. Аналогічно SOHC VTEC.

5. Аналогічно SOHC VTEC.

SOHC VTEC-E також має два режими роботи (рис.6.13). При невеликих обертах обидва впускні клапани управляються своїми кулачками, але оскільки один з цих кулачків є кільцем, реально працює тільки другий клапан. Плюс за рахунок несиметричності потоку горючої суміші (один клапан закритий, а другий відкритий), що поступає, виникають завихрення, які дозволяють працювати на досить бідній суміші. При збільшенні обертів спрацьовує система VTEC і обидва клапани починають управлятися одним нормальним кулачком. Основна мета застосування подібної система - помітне зниження витрати палива і поліпшення екологічних свідчень. Варто також врахувати, що питома потужність двигунів з SOHC VTEC-E може виявитися менше аналогічних двигунів навіть без системи VTEC.

Система 3-stage SOHC VTEC

Ця система з'явилася в 1995 році на двигуні D15B, що встановлюється на Honda Civic. Вона є об'єднання двох діаметрально протилежних за призначенням систем: SOHC VTEC і SOHC VTEC-E. Відмітні особливості:

1. Один розподільчий, 4 клапани на циліндр.

2. Використовуються коромисла.

3. Hа кожні два впускні клапани доводиться три кулачки, один з яких як і у SOHC VTEC-E є кільцем.

4. Аналогічно SOHC VTEC, SOHC VTEC-E.

5. Аналогічно SOHC VTEC, SOHC VTEC-E.

Як видно з назви, 3-stage SOHC VTEC має три режими роботи. Перший режим аналогічний першому режиму SOHC VTEC-E. В другому режим, також як у SOHC VTEC-E, обидва клапани управляються нормальним крайнім кулачком. А при переході до третього режиму, режиму максимальної потужності, обидва клапани управляються одним високим центральним кулачком. Ця система за призначенням достатньо універсальна, так, наприклад, згаданий двигун D15B з нею має дуже непогану питому потужність (130/1.5 к.с./л), але при цьому, якщо двигун працює в першому, економічному 12v режимі, про що свідчить загоряння індикатора 'ECONO' на приладовій панелі Honda Civic, витрата при русі з постійною швидкістю 60 км/ч складає близько 3.5 л на 100 км [14].

 

 

Рисунок 6.13 – Система SOHC VTEC-E

Перспективні напрями

 

На думку багатьох фахівців, механічні системи регулювання фаз газорозподілу, що забезпечують зміну часу відкриття клапана і висоту його підйому (точніше, «опускання» в камеру згоряння), – це пройдений етап. Творці моторів вже навчилися відключати окремі циліндри, а наступна розробка, яка піде в серійне виробництво, – «персональне управління» кожним клапаном за допомогою електромагнітного або гідравлічного приводів.

ВИСНОВКИ

Проаналізувавши основні конструктивні заходи по підвищенню коефіцієнта наповнення можна виділити комплекс найбільш раціональних конструктивних рішень по удосконаленню процесу наповнення на розробленому двигуні:

- розрізна шестерня приводу розподільчого валу;

- розподільчий вал із збільшеним підйомом кулачків і зміненим профілем;

- обробка стику колектора з каналами в головці блоку та зміна геометрії впускного колектора;

- клапани зі збільшеним діаметром тарілок;

- дросельна заслінка зі збільшеним діаметром;

- фільтр нульового опору.

В результаті застосування цих заходів отримуємо зростання потужності двигуна на 30-50%.

 

 

СПЕЦІАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ: УДОСКОНАЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ

НАПОВНЕННЯ

Збільшити ефективну потужність двигуна і підвищити максимальні оберти його колінчастого валу, що називається форсуванням двигуна, можна двома шляхами:

а) за рахунок підвищення ступеня стиснення, поліпшуючого термічний ККД

б) за рахунок збільшення наповнення циліндрів, що підвищує середній ефективний тиск.

Перший спосіб форсування обмежується антидетонаційними властивостями існуючих палив, так що межею для підвищення ступеня стиснення звичайно є детонація, яка, створюючи ударне навантаження на деталі кривошипно-шатунного механізму, загрожує їх механічній міцності і викликає падіння потужності. Можливість підвищення ступеня стиснення двигуна, крім того, значною мірою залежить від форми камери згоряння і для різних конструкцій неоднакова. Найкращою формою камери прийнято рахувати півсферичну або шатрову. Помилково припускати, що кожне подальше підвищення ступеня стиснення на певну величину дає однаковий приріст потужності. Найбільший виграш в потужності можна отримати в діапазоні ступенів стиснення від 6 до 8; від 8 до 10 ефект буде вже меншим і т.д.

Збільшення коефіцієнта наповнення циліндрів (об'ємного ККД) є найефективнішим способом підвищення потужності двигуна. Вся решта заходів, вельми трудомістких і дорогих приводять до не дуже високих результатів.
Максимальний коефіцієнт наповнення серійного двигуна ВАЗ 21083 приблизно рівний 75%. Тобто в двигун потрапляє кількість повітря рівне 75% від загального об'єму циліндрів. На кращих гоночних атмосферних двигунах (двигуни без наддуву) коефіцієнт наповнення досягає 115-125%. При правильній настройці двигуна з низьким опором системи впуску, можна добитися показників коефіцієнта наповнення вище 100%.
При роботі двигуна в системах впуску і випуску відбуваються хвильові процеси (рис.6.1), їх властивості залежать від багатьох причин: геометричних розмірів і аеродинамічного опору систем впуску і випуску, фаз газорозподілу, обертів двигуна і інших чинників. Зі зміною режимів роботи двигуна форма, частота і амплітуда хвиль змінюються [8].

 

Рисунок 6.1 – Хвильові процеси у впускній та випускній системах

Форсування за рахунок поліпшення наповнення циліндрів горючою сумішшю, тобто підвищення коефіцієнта наповнення, представляє широке поле діяльності і може досягатися різними конструктивними заходами. В першу чергу слід вказати на наступні:

Зміна фаз газорозподілу

Збільшення фаз роботи клапанів корисно, але це тонко збалансована операція. Наприклад, утримання клапана впускання відкритим, після того, як поршень досяг нижньої точки такту впускання практично з кількох причин:
• Потік при низьких величинах підйому клапана мінімальний;
• Навіть якщо колінчастий вал може обернутися на значне число градусів, поршень зсунеться вгору не набагато;
Проте ці переваги незабаром зникають, якщо такт впуску збільшується дуже сильно. В деякий момент поршень, що рухається вгору в циліндрі, починає витискати деяку частину вже втягнутої робочої суміші назад в впускний колектор. Якщо тривалість відкриття клапана збільшується, то потужність почне падати, особливо на низьких обертах.
Збільшення тривалості випуску дає подібні переваги в потужності і подібні обмеження. Відкриття випускного клапана трохи раніше НМТ дозволяє більшій частині відпрацьованих газів з високим тиском вийти самостійно, тобто вони видуваються перед тим, як інші видавлюються рухом поршня. На закінчення, подібно впускному клапану, положення більш раннього відкриття і більш пізнього закриття клапана щодо сідла при такті випуску зменшують опір між клапаном і головкою і покращують характеристики потоку. Проте, якщо випускний клапан відкривається дуже рано, стиснуті гази, які могли б тиснути на поршень і виробляти потужність, звільнятимуться дуже швидко, розсіюючи потенційно корисну енергію.

Розрізна шестерня ГРМ є шестернею з можливістю регулювання положення РВ щодо КВ, звичайно ± 8 град. по РВ (рис.6.2). Ця шестерня із змінним положенням зубчатого вінця щодо ступиці. Установка розрізної шестерні рекомендується із двох причин:
1. Рівень конвейєрного складального виробництва двигунів допускає досить значні відхилення розмірів деталей від заданих креслень. За рахунок відхилення розмірів деталей механізму ГРМ і кривошипно-шатунного механізму фази ГРМ двигунів однієї моделі можуть відрізнятися від номінальних до ±10 град по КВ. Як наслідок - помітна втрата в потужності і моменті.
2. застосування тюнингованих і спортивних РВ із збільшеним підйомом кулачків і зміненим профілем (рис.6.3). Установка такого валу із стандартною шестернею дає надбавку по потужності і моменту. Настройка такого на оптимальні фази ГРМ за допомогою розрізної шестерні додає ще до 3% потужності. Установка тюнингованих валів без настройки фаз ГРМ за допомогою розрізної шестерні втрачає практичне значення.

 

Рисунок 6.2 – Розрізні шестерні

Бажання поліпшити динаміку і максимальну швидкість було у багато кого, і найпростішим способом невеликої надбавки стала заміна стандартного розподільного валу на розподільний вал із зміненими фазами газорозподілу.
Але річ у тому, що на вітчизняних моторах, включаючи 21083, шляхом установки, заміни р.вала неможливо добитися самотнього доброго підйому як моменту, так і макс. потужності.
На моторах іноземних фірм існують системи зміни фаз газорозподілу залежно від обертів двигуна, які дозволяють підтримувати макс. значення крутного моменту в широкому діапазоні обертів. На вітчизняних моторах це не можливо, тому доводиться застосовувати розподільні вали із зміненими, але все-таки фіксованими параметрами кулачка (кут запізнювання закриття впускного клапана і кут перекриття клапанів). На ділі, частіше за все вимагається збільшити динаміку автомобіля.

Для цього необхідно підняти значення моменту Мкр в зоні низьких частот обертання- 2.000-3.000 об\мин., при тому що на більшості стандартних моторів Мкр знаходиться в межах 3.500-4.000 об\мин [9].

Рисунок 6.3 – Розподільчий вал