Преподаватель: Авельцев Р.А.

МДК01.01 Устройство автомобилей

гр. 2ТМ 04.05.2020

Конструкция газораспределительного механизмасовременных двигателей

План1. Диаграмма фаз газораспределения.2. Изменение фаз газораспределения.3. Система газораспределения VANOS4. Электромагнитный привод клапанов.

1. Диаграмма фаз газораспределенияМоменты открытия и закрытия клапанов выраженные в градусах

поворота коленчатого вала называют фазами газораспределения, а их графическое изображение носит название диаграммы фаз газораспределе-ния.(рис. 1).

Угол на диаграмме, соответствующий периоду одновременного частичного открытия впускных и выпускных клапанов, называют углом перекрытия клапанов. Так как время перекрытия клапанов небольшое, то это приводит к проникновению отработавших газов во впускной трубопровод, а наоборот, за счет инерции уходящего потока этих газов происходит дополнительный подсос горючей смеси в цилиндр и тем самым улучшается его наполнение. При этом важно добиться, чтобы цилиндр очищался с максимально возможной степенью, но свежий заряд горючей смеси не уходил в выпускную трубу.

У некоторых двигателей (особенно высокооборотных двигателей спортивных автомобилей) угол перекрытия клапанов может достигать большой величины, а если клапаны остаются открытыми на большую величину, когда поршень достигает ВМТ, может произойти удар клапанов в поршень, что приведет к аварии двигателя. Наличие перекрытия клапанов в НМТ (выпускной открывается раньше, чем поршень достигнет НМТ, а впускной позже) не представляет такой опасности, суммарный угол перекрытия всегда больше, чем в ВМТ, и часто бывает значительным, особенно в высокофорсированных двигателях.

Рис. 1. Диаграмма фаз газораспределения

2. Изменение фаз газораспределения.

Выбор фаз газораспределения — один из инженерных компромиссов. Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо обеспечить существенное перекрытие клапанов в районе ВМТ, потому что мощность в наибольшей степени зависит от максимально возможного количества горючей смеси, попадающей в цилиндр за короткое время, но чем выше частота вращения коленчатого вала, тем меньше отводимое на это время. С другой стороны, при малых оборотах, когда не требуется максимальная мощность, лучше, когда угол перекрытия близок к нулю. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более чутко реагировать на изменениеположения педали «газа», что очень важно при движении автомобиля в транспортном потоке.

В начале 1990-х гг. появились двигатели с автоматическими устрой-ствами для изменения фаз газораспределения. Обычно в приводном шкиве (или звездочке) распределительного вала впускных клапанов размещаетсяспециальное устройство, которое имеет гидравлический привод от смазочной системы двигателя и может поворачивать распределительный вал относи-тельно приводной звездочки (шкива) и, следовательно, относительно колен-чатого вала (рис. 2).

Рис. 2. Схема работы механизма изменения фаз газораспределения и." — диапазон изменения фаз газораспределения

При этом впускные клапаны могли открываться и закрываться раньше или позже. Изменение фаз открытия и закрытия впускных клапанов оказы-вает больший эффект, чем изменение аналогичных фаз выпускных клапанов. Первые устройства обеспечивали простое переключение в два положения, обеспечивая один угол перекрытия для малых оборотов двигателя, а другой — для высоких оборотов и нагрузки. Этого было достаточно для того, чтобы обеспечить хороший пуск, достаточный крутящий момент при сравнительно малых оборотах и нагрузках двигателя и возможность достижения большой мощности при высоких оборотах.

Постепенно были разработаны устройства (рис. 3), которые могли изменять фазы газораспределения во всем диапазоне оборотов двигателя, а некоторые производители, такие как BMW, начали изменять фазы открытия-закрытия выпускных клапанов, в основном для того, чтобы снизить выбросы вредных веществ. Сегодня изменяемые фазы газораспределения VIVT (Variable Inlet Valve Timing) стали общепринятыми и появился целый ряд двигателей, оборудованных системой изменения фаз газораспределения во всем диапазоне.

Рис. 3 Механизм изменения фаз газораспределения

3. Система газораспределения VANOSСистема газораспределения VANOS изменяет положение

распределительного вала (валов) относительно коленчатого вала, тем самым регулируя фазы ГРМ (газораспределительного механизма) в процессе работы. Эта регулировка варьируется от 6 градусов опережения до 6 градусов запаздывания от ВМТ (верхней мёртвой точки).

Система Vanos BMW совершенствовалась с момента своего появления, и на сегодняшний день различают несколько её поколений.

1 – поколение. SINGLE VANOS или одинарный ВаносSingle VANOS впервые появился в 1992 году на двигателе BMW M50tu, 

который изначально устанавливался на  5-й серии.Система Ванос - это комбинированная гидро-механическая система под

управлением электронного блока DME. В системе VANOS первого поколения регулируется только положение впускного распределительного вала относительно коленвала, что повышает величину крутящего момента на низких оборотах.

Система VANOS изменяет положение впускного распределительного вала в соответствии с оборотами двигателя и датчика положения педали акселератора. При низких оборотах двигателя впускные клапана открываются позднее, что улучшает стабильность холостого хода. На средних оборотах впускные клапана открываются  гораздо раньше, что повышает крутящий момент и циркуляцию выхлопных газов внутри камеры сгорания, уменьшая тем самым расход топлива и токсичность выхлопных газов. Наконец, при высоких оборотах двигателя открытие впускных клапанов снова запаздывает для достижения максимальной мощности.

Таким образом, система Ванос  значительно расширяет возможности управления выхлопными газами (рециркуляцией), улучшает наполнение цилиндров,  повышает крутящий момент, стабилизирует холостой ход и обеспечивает экономию топлива.

2 – поколение. DOUBLE VANOS или двойной ВаносDouble VANOS впервые появился на двигателе S50B32 в 1996 году.

Позже эта система стала устанавливаться на рядные 6-цилиндровые двигатели M52tu и далее перекочевала без изменений на двигатели M54 и M56.

Рис. 4 Система Single Vanos

Double VANOS в отличие от Single Vanos регулирует уже положение обоих распредвалов, впускного и выпускного, в зависимости от оборотов двигателя и положения педали акселератора, что значительно повышает крутящий момент и мощность.

Одной из особенностей  системы Double VANOS является то, что система направляет часть выхлопных газов обратно во впускной коллектор строго индивидуально при разных режимах работы. Этот процесс  называется "внутренний" EGR, позволяющий дожигать небольшие дозы выхлопных газов повторно для улучшения экологичности двигателя.

Принцип работы Double Vanos схож с Single Vanos по части управления впускными клапанами, а именно: при низких оборотах двигателя впускные клапана открываются позднее, что улучшает стабильность холостого хода; на средних оборотах впускные клапана открываются  гораздо раньше, что повышает крутящий момент и циркуляцию выхлопных газов внутри камеры сгорания, уменьшая тем самым расход топлива и токсичность выхлопных газов; при высоких оборотах двигателя открытие впускных клапанов снова запаздывает для достижения максимальной мощности.

Рис. 5 Принцип работы системы Double Vanos

Но вдобавок у системы Double Vanos происходит более точное и продуктивное регулирование количеством отработавших газов, направляемых на дожигание обратно в цилиндры, и осуществляется лучшая продувка камеры сгорания.

Также на этапе прогрева система работает в особом режиме, позволяющим быстрее прогреть каталитические нейтрализаторы до рабочей температуры. Всё это позволяет достичь лучших показателей мощности, экономичности, экологичности и величины крутящего момента.

Рис. 6 Устройство системы Double Vanos.

3 – поколение. Vanos-шестерни впускных рапредвалов Vanos-шестерни впервые появились на двигателе V8 M62TU в 1998 году.

Система с Vanos-шестернями по принципу работы схожа с Single Vanos, то есть регулирует положение только впускных распредвалов, но имеет более совершенную и компактную конструкцию за счёт помещения всего исполнительно механизма внутрь шестерён (звёздочек) ГРМ.

Принцип работы Ванос-шестерён практически полностью копирует работу Single Vanos, поэтому повторно расписывать его не стоит.

4 – поколение. Vanos-шестерни всех распредваловЭта система является логическим продолжением систем Ванос третьего

поколения, то есть включает в себя управляющие шестерни на впускных и выпускных распредвалах.

Впервые эта система появилась на двигателях n-серии в 2001 году, и в настоящее время она устанавливается на все двигатели BMW как на 4-х цилиндровые, так и на 6-ти, 8-ми, 10-ти, 12-ти цилиндровые.

Рис. 7 Механизм Vanos-шестерни.

В некоторых ГРМ имеется возможность отключать один из впускных клапанов в каждом цилиндре. Такое устройство используется компанией Honda в высокофорсированном двигателе CVT. Здесь не обеспечивается полное отключение клапана, а происходит его открытие на небольшую величину в целях исключения возможности его прихвата к седлу.

Рис. 5 Привод клапанов газораспределительного механизма с помощью соленоидов электромагнитов (Renault)

4. Электромагнитный привод клапанов.Перспективными конструкциями ГРМ являются механизмы без

распределительного вала, в которых клапаны управляются индивидуальными

устройствами с помощью электромагнитных соленоидов. Использованиетакой техники дает возможность индивидуального контроля за работой каждого клапана. При этом можно не только оптимально управлять временем открытия каждого клапана и обеспечивать получение максимальных мощности или крутящего момента, но и отключать некоторые цилиндрыполностью или переводить их на малую нагрузку для более эффективной работы остальных цилиндров. Можно переводить двигатель в режим компрессора, разгружая, таким образом, тормоза, и, возможно, запасая частьэнергии при спуске с возвышенности (рекуперация). Но главное преиму-щество этой системы заключается в том, что время и степень открытия клапанов в любой момент времени могут быть оптимальными для работы двигателя при данных условиях движения.

Сегодня уже созданы такие экспериментальные системы (рис.5) с хорошей эффективностью действия (уменьшено потребление топлива до 20 %). Кроме того, конструкция самого двигателя может быть упрощена, потому что обычный привод — цепи, зубчатые ремни, механизм натяжения, шестерни и кулачковые валы — становятся ненужными.

Препятствием на пути к широкому применению таких «бескулачковых» клапанных механизмов является большое потребление электроэнергии и большие габариты приводных устройств, получаемые при существующем 12-вольтовом электрооборудовании. Эти проблемы значительно уменьшаются в случае перехода к 36-вольтовому электрооборудованию.

Контрольные вопросы1. Что называют перекрытием клапанов?2.Чем объясняется необходимость регулирования фаз

газораспределения?3. Принцип работ системы Single Vanos.4. Принцип работы системы Double VANOS.5. Особенности устройства VANOS-шестерен привода распредвалов.6. Перспективные конструкции газораспределительных механизмов.

Рекомендации для самостоятельной работы:1. Содержание лекции распечатать для формирования сборника лекций.2. Завести тетрадь для закрепления лекционного материала.3. Ответить письменно на вопросы для закрепления, осмысления

материала.4. Выполнить сканирование или фотографирование ответов и выслать

на адрес эл. почты rom-ave@mail.ru в течение 2-х дней.