Protected by Copyscape Originality Checker
Яндекс цитирования
Рейтинг сайтов

Газораспределительный механизм (ГРМ)

Основные понятия

Газораспределительный механизм

На этом рисунке изображены два основных механизма двигателя – кривошипно-шатунный (КШМ), который был рассмотрен в предыдущем разделе, и газораспределительный механизм, с которым предстоит познакомиться.

Предназначение газораспределительного механизма

Своевременное и наиболее полное заполнение цилиндров двигателя свежим зарядом топливовоздушной смеси, или воздухом в дизельных двигателях, и своевременное и наиболее полное удаление из цилиндра продуктов сгорания – отработавших газов.

 

Вообще на количество поступающего в цилиндры двигателя воздуха оказывают влияния все детали системы впуска - воздушный фильтр, воздуховоды, карбюратор, особенно его диффузор для карбюраторного двигателя или корпус дроссельной заслонки для двигателя с впрыском топлива, а также впускной коллектор и некоторые другие элементы. Но самым критичным является впускной клапан (клапаны), поскольку проходное сечение элементов системы впуска достаточно легко увеличить и, следовательно, уменьшить их гидравлическое сопротивление, а вот значительно увеличить проходное отверстие впускного и выпускного клапана в ограниченном пространстве камеры сгорания затруднительно.

 

Совершенство систем впуска и выпуска определяется коэффициентом наполнения цилиндров. Этот коэффициент показывает, сколько воздуха попадает в цилиндр двигателя на каждом цикле.

Расчёт фактического коэффициента наполнения достаточно сложен, поскольку его значение зависит от нескольких параметров. Для простоты примем очень упрощённую модель.

Если поршень находится в положении нижней мёртвой точки, в цилиндре полностью отсутствуют отработавшие газы, оставшиеся от предыдущего цикла, а давление в цилиндре сравнялось с атмосферным, то это количество воздуха принимается за стопроцентное заполнение. В этом случае принимается, что коэффициент наполнения равен 1. (Иногда заполнение цилиндров обозначается процентами.)

Поскольку все процессы в двигателе происходят очень быстро, а впускной тракт двигателя и в первую очередь газораспределительный механизм, оказывают сопротивление поступлению воздуха в цилиндр, коэффициент наполнения массового двигателя обычно равен 0,75 – 0,85 для бензинового двигателя и 0,8 – 0,9 для дизельного двигателя.

При помощи модификаций (тюнинга) впускного тракта и газораспределительного механизма коэффициент наполняемости форсированных двигателей на некоторых режимах можно поднять до 0,95 – 1,0.

 

А можно ли поднять коэффициент наполнения до значения более 1. Да можно, за счёт применения нагнетания воздуха в цилиндры (турбонаддув или механический нагнетатель). Если при указанных выше условиях давление в цилиндре за счёт нагнетания будет в два разы выше атмосферного давления, коэффициент наполнения будет равен 2 или 200%.

Чем больше топливовоздушной смеси попадёт в цилиндр, то есть чем выше коэффициент наполнения, тем большую литровую мощность можно получить от двигателя.

Принципы работы газораспределительного механизма

При изучении принципов работы простейшего двигателя внутреннего сгорания отмечалось, что во время такта всасывания открывается впускной клапан, а во время такта выпуска открывается выпускной клапан. На том этапе нас такое объяснение вполне устраивало, но сразу было ясно, что сами по себе клапаны открываться и закрываться не будут, что существует какой-то механизм, открывающий и закрывающий клапаны в строгом соответствии с перемещением поршня в цилиндре. Правда, тут необходимо отметить, что первые двигатели внутреннего сгорания имели «автоматические» впускные клапаны. Автоматическим назывался клапан, открывающийся не под воздействием какого-либо механизма, а только под воздействием разности давлений с обеих сторон клапана

Тарельчатый клапана, ГРМ

Основа газораспределительного механизма тарельчатый клапан.

Для управления газовыми потоками двигатель имеет газораспределительный механизм (ГРМ). Основой ГРМ являются тарельчатые клапаны. На самой заре развития ДВС применялись и другие системы управления газодинамическими процессами двигателя, например золотниковые или поворачивающиеся гильзы цилиндров с перепускными отверстиями, но в настоящее время в четырёхтактных поршневых двигателях применяются только клапанные механизмы газораспределения.

Клапаны ДВС постоянно находятся в закрытом состоянии под воздействием усилия клапанной пружины, которая прижимает рабочую уплотняющую фаску клапана к седлу клапана, обеспечивая этим герметичное закрытие впускных или выпускных газовых каналов. В момент, когда необходимо открыть клапан, одна из деталей клапанного механизма, в зависимости от конструкции механизма, нажимает сверху на стержень клапана и, преодолевая усилие клапанной пружины, открывает его. После снятия усилия приложенного к стержню клапана, клапан под воздействием клапанной пружины закрывается. То есть во время работы двигателя клапан совершает возвратно-поступательное движение.

Газораспределительный механизм, клапаны, распределительный вал

1.    Кулачок распределительного вала

2.    Пружина клапана

3.    Клапан

4.    Седло клапана

Если для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в круговое движение коленчатого вала применяется кривошип, то для преобразования вращательного движения распределительного вала в возвратно-поступательное движение клапана используется кулачок, являющийся основной частью распределительного вала. В старые времена в технической литературе распределительный вал чаще назывался кулачковым валом.

 

Как отмечалось в статье о принципах работы ДВС, полный рабочий цикл двигателя состоит из четырёх тактов, совершаемых за два полных оборота коленчатого вала двигателя (720º). Но для выполнения всех четырёх циклов за два оборота коленчатого вала необходимо всего один раз открыть и закрыть впускной клапан и один раз открыть и закрыть выпускной клапан, то есть каждый из клапанов открывается и закрывается один раз за два оборота коленчатого вала. Поэтому распределительный вал, получающий вращение от коленчатого вала, должен вращаться в два раза медленнее, чем коленчатый вал.

 

Конструкций привода распределительного вала, обеспечивающих это соотношение великое множество, мы сейчас не будем их рассматривать, главное сейчас понять основные принципы работы газораспределительного механизма.


Запомните основное:

1.           Распределительный вал при помощи механизма привода получает вращение от коленчатого вала, чаще всего от его передней части.

2.           Распределительный вал вращается ровно в два раза медленнее коленчатого вала, что обеспечивается передаточным соотношением механизма привода распределительного вала.

3.             Для открытия и закрытия клапанов в точно необходимое время угловое положение  распределительного вала точно синхронизировано с угловым положением коленчатого вала и не изменяется во время работы двигателя. Каждому угловому положению коленчатого вала строго соответствует определённое угловое положение распределительного вала.

Общее правило, но в настоящее время имеются системы, допускающие некоторое управляемое изменение углового положения распределительного вала. Но и в этом случае первоначальные угловые установки распределительного вала относительно положения коленчатого вала необходимо производить с очень высокой точностью.

 

Кулачок распределительного вала

Основой распределительного вала является кулачок, состоящий из следующих элементов.

Кулачок распределительного вала, распределительный вал, ГРМ

1.           Ось симметрии кулачка (центральная ось)*.

2.           Базовая окружность кулачка.

3.           Вершина кулачка.

4.           Высота подъёма профиля кулачка.

5.           Рабочий профиль кулачка.

6.           Затылок.

7.           Рамп.           

* Возможно, более точное название этой оси - точка самого высокого открытия клапана, поскольку на спортивных автомобилях могут применяться не симметричные кулачки распределительного вала. Но такие валы применяются редко, поэтому для упрощения понятий будем называть эту ось, осью симметрии кулачка.

В самых распространённых механизмах газораспределения количество кулачков распределительного вала равно количеству клапанов, которыми управляет данный распределительный вал. Правда есть механизмы, в которых один кулачок управляет несколькими клапанами и, наоборот, одним клапаном управляют несколько кулачков. Но сейчас, для простоты понятия будем рассматривать только самые распространённые механизмы.

 

Обычно распределительный вал имеет установочную метку (на элементах привода), обеспечивающую точную взаимную угловую установку распределительного и коленчатого валов. Угловое положение оси симметрии конкретного кулачка, относительно установочной метки распределительного вала (то есть относительно положения поршня в цилиндре) определяет момент начала открытия данного клапана, момент его максимального открытия и момент его закрытия.

Время от начала открытия клапана (отрыва тарелки клапана от седла) до момента закрытия клапана (касания тарелки клапана седла клапана) называется фазой открытого состояния клапана.

В клапанном механизме, в котором не применяются рычаги привода клапанов (коромысла или рокеры), высота подъёма клапана равна высоте подъёма профиля кулачка.

 

Высота подъёма клапана, распределительный вал

Высота подъёма профиля кулачка равна разности расстояния между самой удаленной точкой вершины кулачка от оси вала и радиусом базовой окружности кулачка. Только это расстояние определяет величину подъёма клапана, при отсутствии рычагов привода клапанов.

Клапанный механизм, распределительный вал

В этом механизме кулачок распределительного вала непосредственно нажимает на толкатель клапана, в этом случае высота подъёма клапана будет равна высоте подъёма кулачка, то есть (А – В).

 

 

В некоторых клапанных механизмах, использующих рычаги, действительная высота подъёма клапана, в зависимости от соотношения опорных точек рычага, может отличаться от высоты подъёма профиля кулачка. В этом случае высота подъёма клапана зависит одновременно от двух факторов – высоты подъёма профиля кулачка и соотношение длинны сторон рычага привода клапанов.

Высота открытия клапана, впускной клапан

В этом механизме высота подъёма клапана будет равна: (А – В) * (L1 / L2)

Форма профиля кулачка определяет скорость открытия и закрытия клапана, высоту открытия клапана для данного углового положения распределительного вала, а также время открытого состояния клапана.

Подъём клапана, впускной клапан, ГРМ

На этом рисунке изображена диаграмма, показывающая высоту подъёма впускного клапана в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Общее время открытого состояния впускного клапана для этого распределительного вала равно 270 градусов по углу поворота коленчатого вала.

 

Тут постоянно говорится о времени открытия или закрытия клапана, времени максимального подъёма клапана, но слово «время», в данном случае довольно условный термин. Все эти моменты и интервалы измеряются не в единицах измерения времени (секундах), а в градусах угла поворота коленчатого вала относительно верхней мёртвой точки (ВМТ), реальное время, в секундах, этих интервалов зависит как от установленных углов, так и от скорости вращения коленчатого вала двигателя.

 

Перекрытие клапанов

Принципы работы ДВС

На первый взгляд с фазами газораспределения всё ясно. Вспомнив принципы работы простейшего ДВС, рассматривавшиеся ранее. Можно сказать, что впускной клапан открывается при нахождении поршня в ВМТ в начале такта всасывания и закрывается в конце этого такта при нахождении поршня в НМТ, а выпускной клапан открывается, после того как поршень пройдёт положение НМТ в начале такта выпуска и закроется когда поршень подойдет к положению ВМТ в конце этого такта. В таком идеализированном двигателе время открытого состояния клапана всегда равно времени прохождения одного такта, то есть 180º по углу поворота коленчатого вала, или 90º по углу поворота распределительного вала.

Перекрытие клапанов, Газораспределительный механизм

Так выглядит диаграмма открытия клапанов идеализированного двигателя. Такие характеристики имели первые двигатели внутреннего сгорания.

В действительности всё значительно сложнее. Двигатель с такими фазами газораспределения будет ровно работать на оборотах холостого хода, и иметь отличные характеристики крутящего момента на низких оборотах. Автомобиль с такими характеристиками будет плавно трогаться с места, и иметь хорошее ускорение в самом начале движения. Но с повышением оборотов такие фазы газораспределения не обеспечат необходимую наполняемость цилиндров рабочей смесью (или воздухом). Поэтому двигатель с такими фазами газораспределения не в состоянии поднять верхнюю границу максимальных оборотов и, соответственно, увеличить максимальную мощность. Такой двигатель может хорошо работать на оборотах, не превышающих 2000 об/мин.

Может это странно звучит, но большая часть автомехаников уверена, что именно так работает газораспределительный механизм современного двигателя.

 

Ранее говорилось, что для увеличения максимальной мощности двигателя необходимо сжигать в цилиндрах двигателя как можно больше топливовоздушной смеси, и указывались два способа как можно это сделать. Увеличить объём цилиндров или повысить цикловую наполняемость цилиндра (коэффициент наполнения). Но когда эти два параметра приблизились к своему разумному пределу или техническим возможностям, для дальнейшего увеличения объёма сжигаемой смеси, пришлось увеличить количество рабочих циклов за данный промежуток времени, то есть поднять максимальные обороты вращения коленчатого вала двигателя. Сжигание большего количества топлива за тот же временной интервал приводит к увеличению максимальной мощности двигателя. Скорость вращения максимально форсированных двигателей автомобилей F1 для достижения максимальной мощности достигает 19000 об/мин.

Не смотря на то, что угол открытого состояния клапанов при увеличении оборотов двигателя не изменяется (в градусах), действительное время открытого состояния клапанов (в секундах) с увеличением оборотов двигателя изменяется значительно, уменьшение реального времени открытого состояния клапанов не позволяет полностью заполнить цилиндр топливовоздушной смесью. Отсюда возникает желание увеличить время открытого состояния клапанов.

Кроме этого с повышением скорости движения газов во впускной и выпускной системах двигателя, при увеличении оборотов двигателя,  появляются другие возможности увеличения скорости газовых потоков и, соответственно, наполняемости цилиндров за счёт газодинамических процессов.

 

Воздух, как смесь газов, имеет собственную массу и, следовательно, инерцию.

Когда под воздействием атмосферного давления воздух устремляется в цилиндр, поскольку при перемещении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре образуется разрежение, воздух приобретает некоторую скорость, на высоких оборотах работы двигателя эта скорость значительно выше, чем при работе двигателя в диапазоне низких оборотов. Для обеспечения необходимого ускорения массе  воздуха требуется некоторое время и некоторая энергия. Поэтому, когда поршень начнёт перемещаться вниз лучше, если впускной клапан будет уже несколько открыт, и топливовоздушная смесь будет перемещаться в цилиндр, встречая меньшее сопротивление при прохождении клапанного отверстия.

То же самое можно сказать и о перемещении отработавших газов. По мере выхода их цилиндра отработавшие газы приобретают некоторую скорость и, следовательно, инерцию. Когда отработавшие газы перемещаются в систему выпуска, за счёт собственной инерции за ними образуется разрежение, которое способствует затягиванию в цилиндр нового свежего заряда через впускной клапан. Это можно сказать и входящей смеси, по инерции она производит некоторое выталкивание отработавшей смеси их цилиндра. Явление взаимного действия друг на друга входящих и выходящих газов называется продувкой. Благодаря этому происходит улучшение заполнения цилиндров.

 

Инерция движущейся с большой скоростью топливовоздушной смеси сказывается и при закрытии клапанов.

При резком закрытии впускного клапана под воздействием движущейся массы воздуха перед впускным клапаном образуется некоторое давление, превосходящее давление в цилиндре в самом начале такта сжатия, это давление нужно использовать. Клапан необходимо закрыть только тогда, когда смесь перестанет поступать в цилиндр из-за увеличения давления в цилиндре и динамический напор газов сравняет с давлением в цилиндре. Поэтому, если впускной клапан закрыть несколько позднее после положения нижней мёртвой точки в цилиндр поступит больше топливовоздушной смеси. А более ранее открытие выпускного клапана, то есть не вначале такта выпуска, а в конце такта сжатия, до достижения поршнем положения НМТ, обеспечивает лучшее очищение цилиндра от отработавших газов.

 

Многочисленные опыты, подтверждённые теоретическими исследованиями, показали, что для улучшения наполняемости цилиндров в диапазоне высоких оборотов необходимо закрывать выпускной клапан несколько позднее ВМТ, а впускной клапан открывать несколько раньше ВМТ. То есть некоторое время, в конце такта выпуска и в начале такта всасывания, и впускной и выпускной клапаны одного цилиндра одновременно должны находится в открытом состоянии. В этом случае в диапазоне высоких оборотов резко возрастает наполняемость цилиндров за счёт увеличения времени наполнения цилиндров и за счёт динамического напора газов. Обратите внимание, что именно только в «диапазоне высоких оборотов».

 

Угол поворота коленчатого вала, во время которого остаются открытыми одновременно впускной и выпускной клапан называется – углом перекрытия клапанов.

Угол перекрытия клапанов это очень важный показатель технических характеристик двигателя. Технически этот угол можно изменить, изменяя угловое положение центральной оси кулачка или изменяя профиль кулачка распределительного вала.

Фазы газораспределения, впускной клапан

Круговая диаграмма фазы впускного клапана. Видно, что впускной клапан открывается до достижения поршнем верхней мёртвой точки на такте выпуска и закрывается позже нижней мёртвой точки на такте всасывания, то есть фактически на такте сжатия.

Подъём клапана

Линейная диаграмма открытия впускного клапана в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

На этой диаграмме чётко видно начало открытия впускного клапана в конце такта выпуска, точка максимального открытия клапана и точка закрытия клапана на такте сжатия. Необходимо отметить, что это не серийный распределительный вал, а вал спортивного автомобиля со средним уровнем форсировки.

Фаза выпускного клапана, фазы газораспределения

Круговая диаграмма фазы выпускного клапана. На этой диаграмме видно, что выпускной клапан открывается до достижения поршнем нижней мёртвой точки, то есть клапан открывается ещё при прохождении такта рабочего хода. А закрывается выпускной клапан не ВМТ, как в идеализированном двигателе, а через некоторое время после начала такта всасывания.

Фазы газораспределения, Газораспределительный механизм

Совместная диаграмма фаз газораспределения впускного и выпускного клапана. Необходимо помнить, что все события указанные не этой диаграмме осуществляются не за один оборот коленчатого вала, а за два оборота, то есть 720º.

Фазы газораспределения, газораспределительный механизм

На этой круговой диаграмме отображено взаимное расположение фаз впускного и выпускного клапанов и угол перекрытия клапанов.

Перекрытие клапанов, устройство двигателя

Возможно, линейная диаграмма более ясно показывает взаимное расположение фаз впускного и выпускного клапана.

На этой диаграмме зона перекрытия клапанов обозначена розовым цветом.

На первый взгляд, опять, кажется всё просто, увеличили угол перекрытия клапанов и получили более мощный двигатель без особых затрат. Но тут ещё раз встречается главное правило технического компромисса – изменение одного технического параметра любого механизма обязательно влечёт за собой изменение других параметров, причём чаще в худшую сторону.

 

Двигатель, имеющий клапанный механизм с большим углом перекрытия клапанов развивает высокие максимальные обороты и имеет высокую максимальную мощность. Но этот двигатель очень неровно работает на оборотах холостого хода, а при высокой степени форсировки вообще не работает на оборотах ниже 2500 об/мин, и имеет низкий крутящий момент в диапазоне низких оборотов. Для улучшения этих показателей, важных для двигателя массового автомобиля, необходимо уменьшить угол перекрытия клапанов, что, несомненно, приведёт к снижению максимальных оборотов и уменьшению максимальной мощности двигателя. В общем по максимуму можно выбрать только что-то одно или просто встать по середине.

Подбор оптимального угла перекрытия клапанов и других параметров фаз газораспределения конструкторами двигателя определяется в результате принятия сложного компромиссного решения. Двигатель он ведь не сам по себе. Он предназначен для установки на конкретный автомобиль или, хотя бы, на конкретный тип автомобилей.

Для подбора правильного перекрытия клапанов создаваемого двигателя первоначально определяется, на каких режимах чаще будет работать двигатель, установленный на данный тип автомобилей, этот режим признаётся основным и двигатель оптимизируется для работы в этом режиме, с учётом приемлемой работы на остальных режимах. Ясно, что на других режимах этот двигатель будет работать с меньшей эффективностью.

Двигатель, установленный на семейный седан, большую часть времени будет работать в диапазоне низких и средних оборотов с частичными нагрузками, при этом двигатель должен быть как можно более экономичным и соответствовать строгим нормам по токсичности, да и неравномерная работа двигателя на оборотах холостого хода не очень понравится спокойным владельцам семейных седанов. Многие, наверное, слышали байки, что в Ролс-Ройсе слышно тиканье наручных часов. Спокойным владельцам семейных седанов не очень понравится необходимость раскручивать двигатель до высоких оборотов при трогании с места.

А основное требование к двигателю спортивного автомобиля это большая максимальная мощность, часто любой ценой. В спорте мощность никогда не бывает лишней, и для получения добавочной мощности настоящий спортсмен стойко перенесёт тряску автомобиля на низких оборотах двигателя и очень высокие обороты холостого хода, а вопрос топливной экономичности вообще не может возникнуть в голове человека устремлённого к победе и вложившего столько денег в тюнинг автомобиля. А что касается рёва двигателя на старте, то для спортсмена это не недостаток, а один из способов получения адреналина.

 

 

 

Подбор оптимальных фаз газораспределения (конструкции распределительного вала) всегда был многоплановой инженерной задачей. Недаром специалисты, занимающиеся тюнингом автомобильных двигателей, называют распределительный вал сердцем двигателя. Изменяя форму кулачков распределительного вала или его угловое положение можно улучшить работу двигателя в необходимом, строго определённом, диапазоне оборотов, но как уже было отмечено, этот диапазон для различных условий эксплуатации двигателя различен.

Добиться максимальной эффективности работы автомобильного двигателя во всём диапазоне оборотов и нагрузок за счёт изменения перекрытия клапанов невозможно. По существу автомобильный двигатель не работает с максимальной эффективностью не в одном диапазоне, Просто обеспечивается наибольшая эффективность в наиболее часто используемом диапазоне, с обеспечением приемлемой эффективности в остальных диапазонах. К сожалению, двигатель автомобиля не может постоянно работать в одном диапазоне оборотов.

 

Сравнение фаз газораспределения массового и форсированного двигателя

Форсированный двигатель, фазы газораспределения

1.    Момент открытия впускного клапана

2.    Момент закрытия выпускного клапана

3.    Момент открытия выпускного клапана

4.    Момент закрытия выпускного клапана

 

На этой кольцевой диаграмме можно сравнить фазы газораспределения двигателей массового и форсированного спортивного автомобиля.