Застосування повітряного фільтру нульового опору

Важливо забезпечити безперешкодне проходження повітря по дорозі в циліндри і досить важливим елементом на його шляху є повітряний фільтр. Повітряний фільтр нульового опору (ФНО), він же індукційний фільтр призначений для вільного проходження повітря в впускну систему двигуна. В порівнянні з штатним фільтром, пропускна спроможність ФНО (рис.6.10) вище на 40-50%. Основу фільтру складає дротяний сітчастий каркас, заповнений декількома шарами спеціальної бавовняної тканини або поролоном. Для інжекторних автомобілів з датчиком витрати повітря ми рекомендуємо використовувати тканинні фільтри.

Установку фільтру потрібно розглядати, як можливість підвищити пропускну спроможність системи впускання по повітрю, а не як кінцевий результат. ФНО дає можливість пропустити більшу кількість повітря за рівний проміжок часу в порівнянні з штатним фільтром. Чим більше продуктивність впускної системи по повітрю, тим більше надбавка потужності від установки ФНО. Наприклад, при установці ФНО на стандартний двигун дає збільшення потужності приблизно на 5%, спільно з збільшеним дроселем - 8%. При установці зміненого РВ, при збільшенні робочого об'єму надбавка від фільтру буде ще більше, близько 10-12%. Тобто, чим більше продуктивність впускної системи, тим більше надбавка потужності від установки ФНО.

Рисунок 6.10 – Фільтр нульового опору

Ресурс ФНО при правильному обслуговуванні дуже великий, його вистачить на весь термін експлуатації автомобіля. Догляд за фільтром не складний. Очищати його слід за фактом сильного забруднення (в середньому, кожні 15-20 тис. км).Рекомендується використовувати спеціальні комплекти, в які входить шампунь для промивки і масло для заправки.

Зміна висоти підйому клапанів залежно від частоти обертання колінчастого валу двигуна

Конструктори Fiat запропонували найскладніший в реалізації, але і найефективніший спосіб – безперервна зміна фаз газорозподілу залежно від частоти обертання колінчастого валу. З цією метою вони використовують кулачок з криволінійним тривимірним профілем, який разом з розподільним валом може переміщатися в осьовому напрямі (рис.6.11).

 

Рисунок 6.11 – Розподільчий вал з кулачками тривимірного профілю

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%.