Фази газорозподілу двигуна: що це таке і як вони працюють

Відрізки часу від початку моменту відкриття клапанів двигуна до їх повного закриття щодо мертвих точок руху поршня отримали найменування фази газорозподілу. Їх вплив на роботу двигуна дуже велике. Так, від тривалості фаз залежить ефективність заповнення і очищення циліндрів в процесі роботи мотора. Це безпосередньо визначає економічність витрати палива, потужність і крутний момент.

Сутність і роль фаз газорозподілу

На даний момент існують двигуни, в яких фази не можуть змінюватися примусово, і двигуни, оснащені механізмами зміни фаз газорозподілу (наприклад, CVVT). Для першого типу двигунів фази підбираються експериментально при конструюванні і розрахунку силового агрегату.

Нерегульовані і регульовані фази газорозподілу

Візуально усі вони будуть показані на спеціальних діаграмах фаз газорозподілу. Верхня і нижня мертві точки (ВМТ і НМТ відповідно) являють собою крайні позиції поршня, що рухається в циліндрі, які відповідають найбільшому і найменшій відстані між довільною точкою поршня і віссю обертання коленвала двигуна. Точки початку відкриття і закриття клапанів (довжина фази) показуються в градусах і розглядаються щодо обертання колінчастого вала.

Управління фазами здійснюється за допомогою газорозподільного механізму (ГРМ), який складається з наступних елементів:

  • кулачковий розподільний вал (один або два);
  • клапанний механізм;
  • ланцюгової або пасової привід від коленвала до распредвали.

Газорозподільчий механізм

Робочий цикл двигуна завжди складається з тактів, кожному з яких відповідає певне положення клапанів на впуску і випуску. Таким чином, початок і кінець фази залежать від кута положення коленвала, який пов’язаний з розподільним валом, керуючим положенням клапанів.

За один оборот распредвала колінчастий вал виконує два оберти і його сумарний кут повороту за робочий цикл дорівнює 720 °.

Кругова діаграма фаз газорозподілу

Роботу фаз газорозподілу для чотиритактного двигуна розглянемо на наступному прикладі (див. Малюнок):

  1. впуск. На цьому етапі поршень рухається від ВМТ до НМТ, а колінвал повертається на 180?. Здійснюється закриття випускного клапана і подальше відкриття впускного. Останні відбувається з випередженням на 12?.
  2. стиснення. Поршень переміщається від НМТ до ВМТ, а колінвал робить ще один поворот на 180? (360? від початкового положення). Випускний клапан залишається в закритому положенні, а впускний залишається відкритим, поки колінвал не повернеться на 40?.
  3. Робочий хід. Поршень йде від ВМТ до НМТ під дією сили займання паливо-повітряної суміші. Впускний клапан знаходиться в закритому положенні, а випускний відкривається з випередженням, коли колінвал ще не дійшов 42? до НМТ. На цьому такті повний поворот коленвала становить також 180? (540? від початкового положення).
  4. випуск. Поршень йде від НМТ до ВМТ і при цьому виштовхує відпрацьовані гази. У цей момент впускний клапан закритий (відкриється за 12? до ВМТ), а випускний залишається у відкритому положенні і після досягнення коленвалом ВМТ ще на 10?. Загальна величина повороту коленвала на цьому такті також 180? (720? від початкової точки).

Фази грм також залежать від профілю і позиції кулачків распредвала. Так, якщо вони однакові на впуску і випуску, то тривалість відкриття клапанів також буде однакова.

Чому виконується запізнювання і випередження спрацьовування клапанів?

Щоб поліпшити наповнення циліндрів, а також забезпечити більш інтенсивну очистку від відпрацьованих газів, спрацьовування клапанів відбувається не в момент досягнення поршня мертвих точок, а з невеликим випередженням або запізненням. Так, відкриття впускного клапана виконується до моменту проходження поршнем ВМТ (від 5 ° до 30 °). Це дозволяє забезпечити більш інтенсивне нагнітання свіжого заряду в камеру згоряння. У свою чергу, закриття впускного клапана відбувається з запізненням (після того як поршень досяг нижньої мертвої точки), що дозволяє продовжити наповнення циліндра пальним за рахунок сил інерції, так званий інерційний наддув.

Випускний клапан також відкривається з випередженням (від 40 ° до 80 °) до моменту досягнення поршнем НМТ, що дозволяє забезпечити вихід здебільшого відпрацьованих газів під дією власного тиску. Закриття випускного клапана, навпаки, відбувається з запізненням (піс
ля проходження поршнем верхньої мертвої точки), що дозволяє силам інерції продовжити видалення відпрацьованих газів з порожнини циліндра і робить більш ефективною його очищення.

Кути випередження і запізнювання не є загальними для всіх двигунів. Більш потужні і швидкохідні мають великі значення цих інтервалів. Таким чином, їх фази газорозподілу будуть ширше.

Етап роботи двигуна, при якому обидва клапана відкриті одночасно, отримав назву перекриття клапанів. Як правило, величина перекриття становить близько 10 °. При цьому, оскільки тривалість перекриття дуже мала, а розкриття клапанів незначно, витоку не відбувається. Це досить сприятливий етап для наповнення і очищення циліндрів, що особливо важливо при високих оборотах.

На початку відкриття впускного клапана поточний рівень тиску в камері згоряння вище, ніж атмосферний. В результаті відпрацьовані гази дуже швидко переміщаються до випускного клапану. Коли двигун перейде на такт впуску, в камері встановиться висока розрідження, випускний клапан повністю закриється, а впускний розкриється на достатню для інтенсивного наповнення циліндра величину перетину.

Особливості регульованих фаз газорозподілу

При високих швидкостях двигуну автомобіля необхідно більше обсягу повітря. І оскільки в нерегульованих ГРМ клапани можуть закритися до того, як в камеру згоряння надходить його достатню кількість, робота мотора виявляється неефективною. Для вирішення цієї проблеми були розроблені різні способи регулювання фаз газорозподілу.

Клапан регулювання фаз газорозподілу

Перші мотори, які мають подібну функцію, дозволяли виконувати ступінчасте регулювання, яка дозволяла змінювати довжину фази в залежності від досягнення двигуном певних величин. Згодом з’явилися безступінчаті конструкції, що дозволяють виконати більш плавну і оптимальну настройку.

Найпростішим рішенням є система зсуву фаз (CVVT), що реалізується шляхом повороту розподільного валу щодо коленвала на певний кут. Це дозволяє змінити момент відкриття і закриття клапанів, але фактична тривалість фази залишається незмінною.

Щоб змінити безпосередньо тривалість фази, в ряді автомобілів використовуються кілька кулачкових механізмів, а також коливаються кулачки. Для точної роботи регуляторів застосовуються комплекси з датчиків, контролера і виконавчих механізмів. Управління такими пристроями може бути електричним або гідравлічним.

Однією з основних причин впровадження систем з регулюванням ГРМ є посилення екологічних стандартів за рівнем токсичності відпрацьованих газів. Це означає, що для більшості виробників питання оптимізації фаз газорозподілу залишається одним з найважливіших.