Фазы газораспределения в двигателях внутреннего сгорания

Качество работы двигателя внутреннего сгорания, его КПД, а также топливная экономичность и такие важнейшие характеристики, как крутящий момент и мощность, зависят от целого ряда факторов. Огромное значение имеют фазы газораспределения – своевременность открытия и закрытия клапанов (как впускных, так и выпускных). В классической 4-тактной силовой установке, работающей на бензине или дизельном топливе, клапаны управляются кулачками распредвала.

От профиля кулачков зависит момент открытия клапанов, его продолжительность и величина хода (это называется шириной фаз). О том, что такое фазы газораспределения в ДВС, на что они влияют и могут ли меняться, пойдет речь в нашем сегодняшнем разговоре.

Что такое фазы газораспределения

Фазы являются стабильной, неизменной величиной для подавляющего большинства современных моторов, которые из-за такой их особенности не могут похвастаться надлежащей эффективностью. Проблема заключается в том, что поведение газов в цилиндре, а также во впускном и выпускном коллекторах зависит от режима работы силовой установки.

Систематически меняется скорость течения, а газовая среда, отличающаяся таким свойством, как упругость, подвергается всевозможным колебаниям, как результат – возникают резонансные (положительные) либо застойные (негативные) явления. Они влекут за собой различия в эффективности и скорости наполнения цилиндров в зависимости от режима работы силового агрегата.

Важно

По состоянию на текущий момент времени существуют моторы, фазы в которых в принудительном порядке изменяться не могут, а также двигатели, оборудованные специальными механизмами, оказывающими влияние на фазы и способными их изменять. Речь идет о системе CVVT.

Первый тип моторов (с неизменными фазами) – это классические силовые установки, фазы для которых подбираются экспериментальным путем в процессе расчета узла и в ходе его производства. Второй тип – более современные агрегаты, характеризующиеся большей мощностью и максимальной эффективностью работы, что влечет за собой высокую производительность.

В чем заключается смысл этого явления? Под термином подразумевают продолжительность времени с того момента, как клапаны фаз газораспределения раскрываются, и до того мгновения, как они закроются. Фаза выражается в градусах поворота коленвала, отмечается она в зависимости от соотношения между начальным и итоговым моментом тактов. 

Главной функцией механизма газораспределения является обеспечение предельно допустимой эффективности наполнения цилиндра и его очистки в процессе работы мотора. От правильности подбора фаз, как уже говорилось выше, зависит мощность и экономичность ДВС, а также максимальный крутящий момент, которого он достигает.

В подавляющем большинстве моторов фазы газораспределения не меняются. Такие модели не столь эффективны, как того бы хотелось, вследствие чего оперативность наполнения цилиндров неодинакова, она зависит от того, в каком режиме мотор функционирует.

Так, для работы на холостых характерны узкие фазы, когда клапаны поздно открываются и рано закрываются, а перекрытие фаз практически отсутствует (под понятием перекрытия подразумевают период, в течение которого наблюдается одновременное открытие впускных и выпускных клапанов). Это позволяет предотвратить попадание выхлопа во впускной коллектор и впрыск в выхлопную систему части топливо-горючей смеси.

А вот если мотор работает на максимальной мощности, наблюдается противоположная ситуация - чем выше обороты, тем короче период открытия клапанов. Однако для достижения требуемой мощности и оборотов через цилиндры должен пройти соответствующий объем газов, и он куда больше, чем при работе на холостых. В таком случае возникает необходимость в более раннем открытии клапанов – они должны дольше оставаться открытыми, чтобы фазы были как можно более широкими.

Работая над конструкцией ДВС, инженеры вынуждены учитывать целый ряд взаимоисключающих правил и то и дело идти на компромисс, ведь на одной и той же фазе мотор должен демонстрировать хорошую тягу и на средних, и на низких оборотах, но при этом достигать предельной мощности на высоких оборотах. Кроме того, важна устойчивая работа на холостых, топливная экономичность и минимальное количество вредных выбросов. 

Регулятором фаз газораспределения выступает ГРМ – специальный газораспределительный механизм, в состав которого входят такие элементы:

•  Распредвал кулачковый (в зависимости от двигателя он может быть один или два).
•  Клапанный механизм.
•  Привод от коленчатого вала к распредвалу (ременной либо цепной).

Рабочий цикл мотора делится на такты, для каждого из которых характерно то или иное положение клапанов и на впуске, и на выпуске. Начало фазы и ее завершение зависят от угла, под которым находится коленвал в конкретный момент времени. Непосредственное влияние на фазы оказывает также профиль кулачков распределительного вала и их позиции. Если они идентичны и на впуске, и на выпуске, и продолжительность открытия клапанов окажется одинаковой. 

Четыре главных фазы газораспределения

Существует 4 фазы газораспределения, которые характерны для 4-тактных двигателей внутреннего сгорания:

1.  Впуск. Это начальный этап, на котором поршень двигается от верхней мертвой точки к нижней, а коленчатый вал поворачивается на 180 градусов. Выпускной клапан закрывается, после чего сразу с опережением на 12 градусов открывается впускной.
2.  Сжатие. Перемещение поршня осуществляется от нижней мертвой точки к верхней, а коленвал еще раз поворачивается на 180 градусов или вокруг своей оси относительно первоначального положения. Выпускной клапан, выполняющий регулировку фаз газораспределения, закрыт, а впускной открыт до тех пор, пока коленчатый вал н повернется на 40 градусов.
3.  Рабочий ход. Поршень под воздействием горячей ТВС двигается от верхней мертвой точки к нижней. Впускной клапан закрыт, выпускной открыт, причем, открываться он начинает за 42 градуса до достижения коленвалом нижней мертвой точки. На данном такте полный поворот коленчатого вала составляет 180 градусов (по отношению к первоначальному положению – 540 градусов).
4.  Выпуск. Движение поршня осуществляется в направлении от нижней к верхней мертвой точке, отработанные газы выталкиваются. Впускной клапан закрыт, он откроется лишь за 12 градусов до верхней мертвой точки. Что касается выпускного клапана, то он будет открытым даже после того, как коленвал достигнет верхней мертвой точки и преодолеет ее на 10 градусов. Общий градус поворота коленчатого вала на данном этапе составляет 180 градусов или 720 градусов, если сравнивать его положение с начальной точкой.

Запаздывание и опережение срабатывания клапанов

Для большей заполняемости цилиндров с последующей их полной очисткой от отработанных газов клапаны срабатывают не в тот момент, когда поршень достигает мертвых точек, а с незначительным запаздыванием (опережением). К примеру, впускной клапан открывается еще до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (диапазон срабатывания варьируется в пределах 5-30 градусов). Благодаря этому свежая порция топливно-воздушной смеси нагнетается в камеру сгорания с большей эффективностью. 

То же самое касается и закрытия клапана – оно происходит с определенным опозданием, уже после достижения поршнем верхней мертвой точки. Из-за этого цилиндры наполняются топливом по инерции (явление именуется инерционным наддувом). 

Открытие выпускного клапана также происходит с небольшим опережением, колеблющемся в пределах 40-80 градусов, еще до того, как поршень пройдет нижнюю мертвую точку. Это способствует полному выходу из камеры отработанных газов – они двигаются под собственным давлением. А вот закрывается выпускной клапан с опозданием, из-за чего выхлоп удаляется по инерции для максимально эффективной очистки цилиндра. 

Углы запаздывания и опережения рознятся в зависимости от характеристик мотора – у более быстроходных и производительных они больше. В таких случаях говорят о широких фазах газораспределения. Период, при котором наблюдается одновременное открытие клапанов, называется перекрытием клапанов.

Размер перекрытия составляет в среднем 10 градусов. Из-за того, что перекрытие быстротечно, а раскрытие клапанов минимально, риск утечки топлива стремится к нолю. Это крайне важно при работе мотора на больших оборотах, так как и наполнение цилиндров, и их очистка происходят с максимальной эффективностью.

Способы регулировки фаз газораспределения, система сдвига фаз CVVT

Когда авто движется с высокой скоростью, мотор нуждается в большем объеме воздуха. Из-за того, что клапаны в нерегулируемых газораспределительных механизмах могут закрыться раньше, чем в камеру попадет требуемое количество воздуха, эффективность работы двигателя будет недостаточной. Чтобы решить проблему, прибегают к разным методам изменения фаз газораспределения.

В первых силовых агрегатах, оснащенных такой функцией, регулировка выполнялась в несколько этапов, что позволяло менять продолжительность фазы в зависимости от характеристик, которых достиг ДВС в тот или иной момент времени. Позже изобрели бесступенчатые системы изменения фаз газораспределения, работающие более плавно и позволяющие выполнять оптимальные настройки.

Наибольшее распространение получила так называемая система сдвига фаз, обозначаемая аббревиатурой CVVT. В основе ее работы лежит регулировка поворота распределительного вала по отношению к коленвалу (меняется угол поворота). Это обеспечило возможность сдвига момента открытия/закрытия клапанов без изменения длительности фазы.

А вот если возникает потребность в изменении продолжительности фазы, в конструкцию узла включают несколько кулачков, в том числе и специальных колеблющихся. Чтобы регулятор фаз газораспределения работал с максимальной точностью, используются контроллеры, датчики, вспомогательные механизмы. Устройства управляются посредством гидравлики, но есть и модели с электроуправлением.

Итог

Необходимость внедрения систем регулировки ГРМ вызвана требованием соблюдения строгих экологических стандартов. Мировые автопроизводители вынуждены работать над оптимизацией фаз, чтобы достичь минимальных показателей содержания в выхлопе отработанных газов. В противном случае путь на рынок их творением будет заказан.