Четырехтактный двигатель

Принцип работы

Принцип работы данных систем основан на повороте распределительного вала по ходу вращения, чем достигается раннее открытие клапанов по сравнению с исходным положением.

Конструкция системы изменения фаз газораспределения данного типа включает гидроуправляемую муфту и систему управления этой муфтой.

Гидроуправляемая муфта (обиходное название фазовращатель) непосредственно осуществляет поворот распределительного вала. Муфта состоит из ротора, соединенного с распределительным валом, и корпуса, в роли которого выступает шкив привода распределительного вала. Между ротором и корпусом имеются полости, к которым по каналам подводится моторное масло. Заполнение той или иной полости маслом обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и соответственно поворот распределительного вала на определенный угол.

В большинстве своем гидроуправляемая муфта устанавливается на распределительный вал впускных клапанов. Для расширения параметров регулирования в отдельных конструкциях муфты устанавливаются на впускной и выпускной распределительные валы.

Система управления обеспечивает автоматическое регулирование работы гидроуправляемой муфты. Конструктивно она включает входные датчики, электронный блок управления и исполнительные устройства. В работе системы управления используются датчики Холла, оценивающие положения распределительных валов, а также другие датчики системы управления двигателем: частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, расходомер воздуха. Блок управления двигателем принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия на исполнительное устройство — электрогидравлический распределитель. Распределитель представляет собой электромагнитный клапан и обеспечивает подвод масла к гидроуправляемой муфте и отвод от нее в зависимости от режимов работы двигателя.

Система изменения фаз газораспределения предусматривает работу, как правило, в следующих режимах:

• холостой ход (минимальные обороты коленчатого вала);
• максимальная мощность;
• максимальный крутящий момент.

Другая разновидность системы изменения фаз газораспределения построена на применении кулачков различной формы, чем достигается ступенчатое изменение продолжительности открытия и высоты подъема клапанов. Известными такими системами являются:

• VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control от Honda;
• VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence от Toyota;
• MIVEC, Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control от Mitsubishi;
• Valvelift System от Audi.

Данные системы имеют, в основном, схожую конструкцию и принцип действия, за исключением Valvelift System. К примеру, одна из самых известных система VTEC включает набор кулачков различного профиля и систему управления.

Распределительный вал имеет два малых и один большой кулачок. Малые кулачки через соответствующие коромысла (рокеры) соединены с парой впускных клапанов. Большой кулачок перемещает свободное коромысло.

Система управления обеспечивает переключение с одного режима работы на другой путем срабатывания блокирующего механизма. Блокирующий механизм имеет гидравлический привод. При низких оборотах двигателя (малой нагрузке) работа впускных клапанов производится от малых кулачков, при этом фазы газораспределения характеризуются малой продолжительностью. При достижении оборотов двигателя, определенного значение система управления приводит в действие блокирующий механизм. Коромысла малых и большого кулачков соединяются с помощью стопорного штифта в одно целое, при этом усилие на впускные клапаны передается от большого кулачка.

Другая модификация системы VTEC имеет три режима регулирования, определяемые работой одного малого кулачка (открытие одного впускного клапана, малые обороты двигателя), двух малых кулачков (открытие двух впускных клапанов, средние обороты), а также большого кулачка (высокие обороты).

Особенности работы двухтактных моторов

Основой того, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного, можно назвать тот факт, что в первом за один рабочий цикл коленвал совершает два оборота, а во втором весь рабочий цикл укладывается в один оборот коленвала (360°). Поршень при этом совершает лишь два хода. Процессы, происходящие в камере сгорания в течение рабочего цикла у двухтактного мотора, не отличаются от четырехтактных, но впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения.

Рабочий цикл двухтактного двигателя

Принцип работы простейшего двухтактного двигателя заключается в следующем:

1. Такт сжатия. В начале цикла поршень находится в НМТ и движется в положение ВМТ такта сжатия. При этом происходит перекрытие окна продувки (впуска), а затем канала выпуска. В момент, когда поршень закрывает окно выпуска, начинается сжатие горючей смеси, и в пространстве под поршнем возникает разрежение. Это обеспечивает нагнетание топлива в камеру через приоткрытый клапан впуска.
2. Такт расширения (рабочего хода). Когда поршень приближается к ВМТ, происходит срабатывание свечи зажигания, и горючая смесь воспламеняется. Это провоцирует резкое повышение давления и температуры, в результате чего поршень начинает движение вниз. Таким образом, газы совершают полезную работу, а поршень при движении к НМТ увеличивает компрессию топливовоздушной смеси. С ростом давления клапан начинает закрываться и препятствует попаданию горючей смеси во впускной коллектор. При достижении поршнем выпускного окна, происходит открытие последнего, и отработавшие газы удаляются в систему выхлопа. Давление в камере снижается, а дальнейшее движение поршня открывает канал продувки и топливовоздушная смесь подается в камеру, вытесняя отработавшие газы.

В зависимости от того, как реализована система продувки в устройстве двухтактного двигателя, их разделяют на разные типы:

• С контурной кривошипно-камерной продувкой. Горючая смесь подается в камеру цилиндра напрямую из картера двигателя. При этом она всасывается в момент движения поршня к ВМТ, а при движении поршня к НМТ обеспечивается продувка за счет избыточного давления.
• С клапанно-щелевой продувкой. Применяется для одноцилиндровых двигателей. Газораспределение реализуется путем перекрытия окон, выполненных в стенке цилиндра.
• С прямоточной продувкой. В такой конструкции впуск выполняется через специальные продувочные окна, выполненные по окружности цилиндра в его нижней части. В свою очередь, выпуск реализуется через выхлопной клапан.
• С использованием продувочных насосов. Применяется на многоцилиндровых двухтактных двигателях. При этом воздух для продувки сжимается специальным компрессором.

В отличие от четырехтактного, двухтактный двигатель не имеет системы газораспределения. Не требуют такие конструкции и организации сложной системы смазки. С другой стороны, четырехтактные моторы более экономичны по расходу топлива, а также меньше подвержены вибрации и обеспечивают более чистый выхлоп.

Для чего необходима система изменения фаз газораспределения

В режиме холостого хода наиболее рациональными становятся «узкие» фазы газораспределения, под которыми понимается позднее открытие и ранее закрытие клапанов. При этом исключается перекрытие фаз, под которым понимается время одновременного открытия впускного и выпускного клапана. Это необходимо для того, чтобы исключить попадание выхлопных газов во впуск и выброс топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор.

Выход мотора на режим максимальной мощности означает повышение оборотов, так как распредвал крутится быстрее и время открытия клапанов сокращается. Для того чтобы не терялась мощность и крутящий момент на высоких оборотах сохранялся, в двигатель должно поступать намного больше топливно-воздушной смеси, а выпуск отработавших газов должен быть реализован максимально эффективно. Задача решается путем раннего открытия клапанов и увеличения времени их открытия, делая фазу «широкой». Фаза перекрытия также расширяется до максимума с ростом оборотов, что необходимо для качественной продувки цилиндров.

Если мотор работает на низких оборотах, нужны максимально короткие фазы газораспределения.

Время открытия клапана должно быть увеличено до максимума, параллельно обеспечивая такты впуска и выпуска, а также эффективное перекрытие.

Сам кулачок распредвала имеет форму, которая способна обеспечить как реализацию узкой, так и широкой фазы.

Проблема заключается в том, что фиксированная форма кулачка не позволяет одновременно добиться узких и широких фаз газораспределения. 

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Воспламенение топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя приводит к выделению выхлопных газов и увеличению температуры. Во время такта сжатия поршень движется к верхней мертвой точке (ВМТ) сжимая топливовоздушную смесь или воздух (дизельный двигатель).

Воспламенение происходит незадолго до ВМТ. В бензиновом двигателе топливовоздушную смесь воспламеняет искра свечи зажигания. В дизельном моторе в раскаленный от сжатия воздух впрыскивают распыленное топливо. Когда поршень приближается к нижней мертвой точке (НМТ), наступает выпускная фаза газораспределения. Выпускной клапан открывается и поднимающийся к ВМТ поршень выдавливает из цилиндра продукты горения топливовоздушной смеси. Когда поршень подходит к ВМТ заканчивается фаза выпуска и начинается фаза впуска. Поршень движется в ВМТ, в цилиндре возникает разряжение, благодаря которому воздух засасывает внутрь камеры сгорания. После достижения ВМТ фаза впуска завершается и начинается такт сжатия.

Отключаемые клапаны

В погоне за экономичностью конструкторы решали одну из беспокоящих их проблем: что делать, когда двигатель, работая, использует всего 15–20 % своей мощности. Такое бывает, когда мы стоим, например, в пробке или едем по трассе на крейсерской скорости.

Примечание
Крейсерская скорость – скорость, при которой достигаются оптимальные показатели топливной экономичности. Термин, конечно, более подходящий для авиационной промышленности, однако, если мы едем по магистрали на пятой, а то и шестой передаче, то он вполне применим и в этой отрасли.

А если мощность используется не вся, то зачем работать всем цилиндрам двигателя? Что, если взять и отключить, например, на стоящем в пробке автомобиле, два из четырех цилиндров.

Ведь пары цилиндров вполне хватит для того, чтобы двигатель работал на холостых оборотах. В оставшиеся два цилиндра перестают подавать топливо и, чтобы они попросту не перекачивали воздух по впускному и выпускному коллектору, закрывают впускные и выпускные клапаны. Для выполнения такой незамысловатой операции придумали относительно простое решение: на распределительном вале рядом с обычными кулачками расположили кулачки с «нулевой высотой», то есть они никак не воздействуют на толкатель клапана.

Так при нормальной работе распределительный вал вращается и все клапаны выполняют свое назначение, а когда возникает необходимость в отключении клапанов, открывается специальный клапан, через который моторное масло под давлением, воздействуя на распределительный вал, смещает его в направлении продольной оси; кулачки с обычным профилем как открывали, так и открывают клапаны, а там где кулачки имеют «нулевую высоту», они просто-напросто не достают до клапанов, и те, в свою очередь, стоят неподвижно.

Примечание
Различные фирмы в разные времена предложили несколько схем реализации описанной выше операции по отключению части клапанов. Выше приведен лишь один из способов.

Перечень приборов, инструмента и устройств.

Работа
выполняется на четырехтактном двигателе
внутреннего сгорания 3 NVD-24.

Для
выполнения работы требуется:

—
набор инструмента для технического
обслуживания двигателя;

—
шток с индикаторной головкой или
шток с линейкой;

—
рулетка;

—
мел;

—
набор щупов в диапазоне 0,1-1,5 мм;

—
паспортные данные периодов открытия и
закрытия клапанов 3NVD-24.

Основными
документами, имеющими приоритетное
значение и юридически признанными,
являются паспорта, выдаваемые на каждый
двигатель заводом-строителем.

Паспортные
данные двигателя 3 NVD — 24:
.

—
диаметр цилиндра –
Dцил.
= 17,5 см. (175 мм.);

—
ход поршня –
S = 24 см. (240 мм.);

—
мощность эффективная –
Nе
= 65 э.л.с. (48 кВт);

—
мощность одного цил. —
Nц
= 21, 67 э.л.с. (16 кВт.);

—
число оборотов –
n = 630 об/мин.;

—
степень сжатия —
ε = 14,85 (отношение Va
/
Vс);

—
степень повышения давления —
λ = 1,67 (отношение Рz
/ Рс);

—
давление сжатия —
Рс
=
36 кгс/см.;

—
максимальное давление сгорания —
Рz
= 60 кгс/см2;

—
давление впрыска топлива —
Рвпр
= 280 кгс/см2;

—
давление масла —
Рм
(min) = 1,0 кгс/см2;

—
температура выхлопных газов —
tвыхл.
(max) = 380ºС;

—
диаметр маховика —
Dм
= 830мм.;

—
тепловой зазор клапана всасывания –
— 0,40 мм.;

—
тепловой зазор выпускного клапана—
— 0.40 мм.;

—
начало открытия клапана всасывания
— 20° до ВМТ;

—
закрытие клапана всасывания
— 40° после НМТ;

—
начало открытия выпускного клапана
— 40° до НМТ;

—
закрытие выпускного клапана
— 20° после НМТ.

Устройство газораспределительного механизма

В современных моторах газораспределительный механизм располагается в двигателя. В его состав входят следующие основные элементы:

1. Распределительный вал. Это сложная по конструкции деталь, которая изготавливается из прочной стали или чугуна с высокой точностью обработки. В зависимости от конструкции ГРМ распредвал может устанавливаться в головке блока цилиндров или в картере двигателя (такая компоновка сейчас не применяется). Это основная деталь, которая отвечает за последовательное открытие и закрытие клапанов.

   На валу имеются опорные шейки и кулачки, которые и толкают стержень клапана или коромысло. Форма кулачка имеет строго определенную геометрию, поскольку от этого зависит длительность и степень открытия клапана. Также кулачки выполнены разнонаправленными, чтобы обеспечивать попеременную работу цилиндров.

2. Привод. Крутящий момент от коленчатого вала передается через привод на распределительный вал. Привод бывает разным в зависимости от конструктивного решения. Шестерня коленвала в два раза меньше шестерни распредвала. Таким образом, коленчатый вал вращается в два раза быстрее. В зависимости от типа привода в его состав входят:
   • цепь или ремень;
   • шестерни валов;
   • натяжитель (натяжной ролик);
   • успокоитель и башмак.
3. Впускные и выпускные клапаны. Они расположены в головке блока цилиндров и представляют собой стержни с плоской головкой на одном конце, которая называется тарелкой. Впускные и выпускные клапаны отличаются по конструкции. Впускной изготавливается цельной деталью. Также он имеет больший диаметр тарелки для обеспечения лучшего наполнения цилиндра свежим зарядом. Выпускной часто изготавливают из жаропрочной стали и с полым стержнем для лучшего охлаждения, так как в работе он подвергается более высоким температурам. Внутри полости находится натриевый наполнитель, который легко плавится и отводит часть тепла от тарелки к стержню.

   На тарелках клапанов сделаны специальные фаски, которые обеспечивают более плотное прилегание к отверстиям в головке блока цилиндров. Это место называется седлом. Кроме самих клапанов, в механизме предусмотрены дополнительные элементы, обеспечивающие его правильную работу:

   • Пружины. Возвращают клапаны в исходное положение после нажатия.
   • Маслосъемные колпачки. Представляют собой специальные уплотнители, которые не допускают попадания масла в камеру сгорания по стержню клапана.
   • Направляющая втулка. Устанавливается в корпус ГБЦ и обеспечивает точное движение клапана.
   • Сухари. С их помощью пружина крепится на стержне клапана.
4. Толкатели. Через толкатели передается усилие от кулачка распредвала на стержень. Изготавливаются из высокопрочной стали. Они бывают разных видов (механические (стаканы), роликовые, гидрокомпенсаторы). Тепловой зазор между механическими толкателями и кулачками распредвала регулируется вручную. Гидрокомпенсаторы или гидротолкатели автоматически поддерживают нужный тепловой зазор и не требуют регулировки.
5. Коромысло или рычаги. Простое коромысло представляет собой двуплечный рычаг, который совершает качательные движения. В различной компоновке коромысла могут работать по-разному.
6. Системы изменения фаз газораспределения. Данные системы устанавливаются не на все двигатели. Более подробно про устройство и принцип работы можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Почему выполняется запаздывание и опережение срабатывания клапанов?

Чтобы улучшить наполнение цилиндров, а также обеспечить более интенсивную очистку от отработавших газов, срабатывание клапанов происходит не в момент достижения поршня мертвых точек, а с небольшим опережением или запаздыванием. Так, открытие впускного клапана выполняется до момента прохождения поршнем ВМТ (от 5° до 30°). Это позволяет обеспечить более интенсивное нагнетание свежего заряда в камеру сгорания. В свою очередь, закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием (после того как поршень достиг нижней мертвой точки), что позволяет продолжить наполнение цилиндра горючим за счет сил инерции, так называемый инерционный наддув.

Выпускной клапан также открывается с опережением (от 40° до 80°) до момента достижения поршнем НМТ, что позволяет обеспечить выход большей части отработавших газов под действием собственного давления. Закрытие выпускного клапана, напротив, происходит с запаздыванием (после прохождения поршнем верхней мертвой точки), что позволяет силам инерции продолжить удаление отработавших газов из полости цилиндра и делает более эффективной его очистку.

Этап работы двигателя, при котором оба клапана открыты одновременно, получил название перекрытие клапанов. Как правило, величина перекрытия составляет около 10°. При этом, поскольку длительность перекрытия очень мала, а раскрытие клапанов незначительно, утечки не происходит

Это довольно благоприятный этап для наполнения и очистки цилиндров, что особенно важно при высоких оборотах

В начале открытия впускного клапана текущий уровень давления в камере сгорания выше, чем атмосферное. В результате отработавшие газы очень быстро перемещаются к выпускному клапану. Когда двигатель перейдет на такт впуска, в камере установится высокое разрежение, выпускной клапан полностью закроется, а впускной раскроется на достаточную для интенсивного наполнения цилиндра величину сечения.

Детали клапанной группы

К клапанной группе относятся клапан, направляющая втулка клапана, клапанная пружина с опорной шайбой и деталями крепления (они же — «сухари»). Все описанное приведено на рисунке 4.13.

Клапан служит для закрытия и открытия впускных или выпускных каналов в головке блока цилиндров. Основными элементами клапана являются тарелка и стержень.

Тарелка клапана имеет шлифованную конусную рабочую поверхность — фаску (обычно под углом 45°), которой клапан плотно притерт к седлу.

Стержень клапана отшлифован и проходит через направляющую втулку. На конце стержня клапана имеется канавка или отверстие для крепления опорной шайбы пружины. Разноименные клапаны имеют тарелки различных диаметров (зачастую, больший — у впускного клапана) или отличаются специальными метками.

Рисунок 4.13 Клапанный механизм.

Седло клапана (на рисунке 4.13) представляет собой металлическое кольцо цилиндрической формы с обработанной под углом 45 градусов рабочей поверхностью (той самой, к которой прилегает тарелка клапана). Седла клапанов запрессованы в головку блока цилиндров. Существуют конструкции с заменяемыми седлами и с седлами, запрессованными наглухо.

Направляющая втулка, в которой клапан устанавливается стержнем, обеспечивает точную посадку клапана в седло. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.

Рисунок 4.14 Клапан.

Клапанная пружина удерживает клапан в закрытом положении, обеспечивая плотную его посадку в гнезде, а также создает постоянное прижатие толкателя к поверхности кулачка распределительного вала. Пружину надевают на выходящий из втулки конец стержня клапана и закрепляют на нем в сжатом состоянии с помощью опорной шайбы с коническими разрезными сухарями, которые входят в выточку на стержне клапана. Иногда на клапан устанавливают две пружины: пружину меньшего диаметра — внутрь пружины большего диаметра. Это делается для того, чтобы избежать резонанса пружины на определенных частотах работы двигателя, а также для подстраховки на случай поломки пружины. Часто применяются пружины с переменным шагом витков. Это исключает вероятность возникновения вибрации пружины и ее поломки при большом числе оборотов коленчатого вала двигателя. При установке двух пружин их подбирают таким образом, чтобы направление навивки их витков было выполнено в разные стороны, что также устраняет опасность возникновения резонансных колебаний пружин.

Для ограничения количества масла, поступающего в направляющую втулку, и устранения подсоса масла в цилиндр через зазоры во втулке на верхних впускных клапанах под опорной шайбой ставят маслосъемные колпачки.

Толкатель служит для передачи осевого усилия от кулачка распределительного вала на стержень клапана или на штангу. Дело в том, что передавать усилие от кулачка распредвала лучше именное через промежуточное звено – толкатель. Поскольку при длительной работе элементы клапанного механизма изнашиваются и, когда приходит время замены чрезмерно износившихся деталей, проще заменять небольшой толкатель, нежели целый распредвал или клапаны.

Рисунок 4.15 Головка блока цилиндров с элементами газораспределительного механизма.

Как было отмечено выше, сейчас получили широкое распространение так называемые гидрокомпенсаторы. «Гидро», потому что работают за счет давления моторного масла, а «компенсаторы», так как компенсируют или, проще говоря, сводят на нет зазор между кулачком распределительного вала и толкателем во время работы.

Толкатели в большинстве двигателей устанавливают без втулок непосредственно в отверстия приливов головки блока цилиндров. В некоторых двигателях для толкателей имеются направляющие втулки, отлитые секцией на несколько цилиндров.

Коромысло. Изменяет направление передаваемого движения. Устанавливают зачастую, когда распределительный вал один, а клапанов на цилиндр два или четыре, но расположены они особым образом (смотрите рисунок 4.16). Коромысла устанавливают на бронзовых втулках или без втулок на осях, которые при помощи стоек закреплены на головке блока. Одно плечо коромысла располагается над стержнем клапана, а другое — под или над кулачком распределительного вала. Для регулировки зазора между стержнем клапана и коромыслом в конец коромысла вкручен регулировочный винт с контргайкой.

Рисунок 4.16 Привод клапанов через коромысло.

УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП РАБОТЫ VVT

За угловое смещение распределительного вала отвечает фазовращатель, представляющий собой гидромуфту, работой которой управляет ЭБУ двигателя.

Конструктивно фазовращатель состоит из ротора, который соединен с распредвалом, и корпуса, наружная часть которого является шестерней распределительного вала. Между корпусом гидроуправляемой муфты и ротором находятся полости заполненные маслом. Заполнение их приводит к перемещению ротора, а, следовательно, и смещению распредвала относительно шестерни. В полости масло подается по специальным каналам. Регулировка количества поступающего через каналы масла осуществляется электрогидравлическим распределителем. Распределитель представляет собой обычный электромагнитный клапан, который управляется ЭБУ посредством ШИМ-сигнала. Именно ШИМ-сигнал делает возможным плавное изменение фаз газораспределения.

Система управления, в виде ЭБУ двигателя, использует сигналы следующих датчиков:

• • ДПКВ (рассчитывается частота вращения коленчатого вала);
  • ДПРВ;
  • ДПДЗ;
  • ДМРВ;
  • ДТОЖ.