Фазы газораспределения

Обычно фазы газораспределения (в дальнейшем – ФГР) подбираются заводскими инженерами таким образом, чтобы обеспечить экстремальное значение какого-либо одного наиболее важного, с точки зрения настройщика, параметра двигателя. Такими параметрами считаются, к примеру, мощность Pe (среднее эффективное давление pme), крутящий момент Ме, удельный эффективный расход топлива be, содержание токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) двигателя и др. При этом подбираются профили впускных и выпускных кулачков распределительного вала, определяющие ускорение и время-сечение открытия клапанов, а также взаимное положение распределительного (распределительных) и коленчатого валов, от которого зависит момент начала открытия клапанов.

При подборе ФГР нельзя пренебрегать значениями ограничительных факторов, например, максимально допустимым значением температуры отработавших газов (ОГ).

Специалисты утверждают, что изменение профилей кулачков распределительного вала в процессе работы двигателя нецелесообразно из-за значительной громоздкости и недостаточной надежности соответствующего исполнительного механизма и снижения по этой причине надежности двигателя в целом. Поэтому при выбранных в процессе доводки профилях кулачков дальнейший подбор ФГР заключается обычно в установке такого момента начала открытия клапанов, при котором происходит более эффективное наполнение цилиндров свежим зарядом.

Есть и другой подход к увеличению наполнения цилиндров. Он заключается в замене имеющегося распределительного вала на нестандартный, с расширенными фазами газораспределения. Отличный пример этого приводит В. Н. Степанов в вышеуказанном пособии. Он утверждает, что можно выполнить тюнинг карбюраторных и инжекторных двигателей ВАЗ-21083 с рабочим объемом 1,5 л и карбюраторных двигателей ВАЗ-21080 (1,3 л). Устанавливаемый нестандартный распределительный вал с расширенными ФГР имеет увеличенную высоту профиля кулачков, что позволяет увеличить ход клапанов до 10,2 мм.

Кроме установки нового распределительного вала, производится обработка по шаблону контуров отверстий впускных каналов у фланцев головки цилиндров и у фланцев впускного коллектора с последующей установкой коллектора на направляющие штифты. Для тонкой настройки ФГР на распределительный вал устанавливается разрезная шестерня привода, позволяющая изменять положение ее зубчатого венца относительно ступицы.

На заключительной стадии работ выполняется регулировка клапанов, систем питания и зажигания, а также регулировка уровня эмиссии CO и CxHy. После выполнения всех работ подвергнутый тюнингу двигатель при 5900 1/мин развивает мощность 58,9 кВт (80 л. с.), кроме того, его максимальный крутящий момент в диапазоне средних частот вращения KB несколько увеличивается.

Существует еще один коэффициент – n_v. Он характеризует эффективность наполнения цилиндров и именуется коэффициентом наполнения. Он представляет собой отношение количества свежего заряда, поступившего в цилиндр к моменту действительного начала сжатия, к тому количеству заряда, которое теоретически могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при неизменных условиях на впуске. За момент действительного начала сжатия заряда в цилиндре четырехтактного двигателя принимается момент закрытия впускных клапанов. Условия на впуске для двигателей без наддува характеризуются давлением рк=ро и температурой Tk=To, где ро и То – параметры окружающей среды. Для двигателей с наддувом условиями на впуске являются давление рк и температура Tk после компрессора.

Специалисты-инженеры отмечают, что найденные для определенной частоты вращения KB наиболее эффективные фазы газораспределения при другой частоте вращения таковыми уже не являются, так как не обеспечивают соответствующего наполнения цилиндров. Поэтому в подавляющем большинстве случаев фактически производится регулировка момента начала открытия клапанов для наиболее характерного в процессе эксплуатации скоростного режима работы двигателя. Общей тенденцией для впускных и выпускных клапанов, имеющей место с ростом частоты вращения KB, является более раннее начало и увеличение продолжительности их открытия по углу ПКВ.

Обычно ФГР настраиваются или для скоростного режима, близкого к номинальной мощности двигателя (быстроходная регулировка), или для скоростного режима в зоне максимального крутящего момента (тихоходная регулировка). Более благоприятные условия для подбора эффективных фаз газораспределения имеются у двигателей, где управление впускными и выпускными клапанами осуществляется отдельными распределительными валами. При управлении клапанами с помощью одного распределительного вала можно вести речь об эффективной настройке ФГР или только для впускных, или только для выпускных клапанов. Настройка ФГР должна выполняться в условиях испытательного стенда, позволяющего производить нагрузку двигателя по внешней скоростной характеристике и контролировать все необходимые параметры.

Рассмотрим пример, приведенный В. Н. Степановым. Это пример последовательности настройки ФГР из условия обеспечения максимального среднего эффективного давления pme для карбюраторного двигателя во всем диапазоне частоты вращения КВ. Заметим, что развиваемая бензиновым двигателем мощность зависит не только от наполнения цилиндров, но и от качественного состава горючей смеси, который характеризуется коэффициентом избытка воздуха а. Коэффициент избытка воздуха а представляет собой отношение количества воздуха, действительно поступившего в цилиндр на момент закрытия впускных органов, к тому количеству воздуха, которое теоретически необходимо для полного сгорания поступившего в цилиндр топлива.

Сначала при неизменной регулировке карбюратора и неизменных фазах открытия и закрытия выпускного клапана, установленных заводом-изготовителем, получим зависимости коэффициента избытка воздуха а от частоты вращения KB n при разных значениях угла начала открытия впускного клапана фн.о. вп. Скорее всего, окажется, что разброс значений а = f (фн.о. вп) при разных значениях n будет неодинаковым, т. к. на а, по крайней мере, будут влиять волновые процессы во впускном трубопроводе.

Рис. 1. Влияние фаз открытия и закрытия впускного клапана на параметры рабочего процесса при неизменной регулировке карбюратора

При значении n, для которого имеет место максимальный разброс значений а, экспериментально найдем зависимости p_me, b_e, а, n_v = f(фн.о. вп) и построим соответствующие графики. Из рисунка видно, что с увеличением запаздывания угла начала открытия впускного клапана значения а и n_v монотонно уменьшаются. Поэтому, если характер изменения p_me и b_e связывать только с изменением значения а, то это приведет к неправильным выводам. Дело в том, что в результате выталкивания поршнем заряда из цилиндра перед закрытием впускного клапана происходит падение n_v, а это, в свою очередь, влечет за собой уменьшение а.

Чтобы исключить в последующих опытах влияние а на p_me, утверждает В. Н. Степанов, карбюратор на каждом нагрузочном режиме путем регулировки главного жиклера должен настраиваться на значение а, при котором в предыдущих опытах было достигнуто максимальное значение pme. Из рисунка 1 следует, что в данном случае для всех нагрузочных режимов должно быть выполнено условие а ≈ 1,1. Далее выполняются эксперименты, целью которых является определение зависимости p_me = f(n) сначала при различных значениях угла начала открытия впускного клапана фн.о. вп и неизменном (заводском) значении угла начала открытия выпускного клапана фн.о. вып, а затем наоборот, при различных значениях фн.о. вып и фн.о. вп = const. При проведении экспериментов для каждой постоянной частоты вращения KB необходимо определить интервал Бф, в котором значение p_me, полученное при конкретном значении угла начала открытия клапана, оставалось бы неизменным.

Из полученных результатов, утверждает автор «Тюнинга автомобильных двигателей», очевидно, что при минимальной, средней и номинальной частоте вращения KB для получения максимального значения p_me требуются разные фазы газораспределения.

Поэтому для обобщения результатов строится диаграмма, у которой по оси абсцисс откладываются значения фн.о. вп, а по оси ординат – значения фн.о. вып. На эту диаграмму наносятся максимальные значения p_me при минимальной, средней и номинальной частоте вращения KB. Затем вокруг этих значений строятся, например, линии (p_me – 2 %p_me max) = const. Если область, в которой линии всех максимумов пересекаются, отсутствует, то строят (p_me – 4 % p_me max) = const. В результате таких построений определяется область значений углов начала открытия клапанов (на диаграмме эта область заштрихована), в которой на каждом скоростном режиме обеспечивается 96 % p_me Для получения желаемого результата остается выставить на двигателе такие значения фн.о. вп и фн.о. вып, чтобы соответствующие этим значениям линии пересекались на диаграмме в заштрихованной области (рисунок 2).

Аналогично находится область ФГР, в которой обеспечивается минимальное значение b_е. В пределах найденных областей ФГР для p_me max и b_e min значения фн.о. вп и фн.о. вып следует выставить такими, чтобы они, по возможности, обеспечивали получение во всем скоростном диапазоне как p_me max, так и b_e min.

Рис. 2. Подбор эффективных фаз газораспределения для широкого диапазона частоты вращения KB

В качестве отправного момента в первом приближении для автомобильных двигателей можно принять ФГР, приведенные в таблице 3.

Однако фазы газораспределения можно выставить точно лишь в том случае, когда указывается, при каком значении зазора в приводе клапанов эти фазы имеют место. Нужно еще учитывать то, что карбюраторные двигатели имеют свои особенности: слишком раннее открытие впускных клапанов при работе на частичных нагрузках ведет к забросу отработавших газов во впускной трубопровод, что ухудшает воспламеняемость горючей смеси.

Таблица 3

Фазы распределения автомобильных двигателей

Это не единственный способ расширения скоростного диапазона устойчивой работы наиболее высокооборотных бензиновых двигателей. В отдельных случаях применяется автоматическая регулировка фаз газораспределения во всем диапазоне частоты вращения KB непосредственно во время работы двигателя. В качестве примера В. Н. Степанов ссылается на устанавливаемый на автомобили BMW 320i и 325i однорядный 6-цилиндровый бензиновый двигатель М-50, который (начиная с сентября 1992 г.) оснащен механизмом динамической регулировки фаз газораспределения, получившим сокращенное обозначение VANOS (от немецкого словосочетания variable Nockenwellensteuerung). Исполнительный механизм включает в себя расположенный в корпусе поршень, переходящий в шток с винтовыми шлицами. Эти шлицы входят в зацепление с соответствующими шлицами, выполненными в зубчатом колесе для привода распределительного вала, управляющего впускными клапанами. Перемещение поршня и его штока в направлении оси распределительного вала приводит к изменению взаимного положения зубчатого колеса и вала. При этом ход поршня и обусловленное им изменение положения распределительного вала зависят от давления масла, подводимого к корпусу исполнительного механизма по отдельному маслопроводу. Блок управления двигателем с помощью электромагнитного клапана, расположенного в корпусе исполнительного механизма, регулирует давление масла в зависимости от частоты вращения КВ.

Применение этого механизма позволило уменьшить значение скоростного коэффициента kc с 0,797 до 0,712 при практически неизменном значении коэффициента приспособляемости k = 1,074. В данном случае механизм VANOS, плавно изменяя момент открытия впускных клапанов в зависимости от скоростного режима, обеспечивает максимальные значения n_v во всем диапазоне частоты вращения КВ.

Качественный характер изменения n_v в зависимости от вида регулировки показан на рисунке 3.

Из рисунка видно, что с увеличением частоты вращения KB максимальное значение n_v имеет тенденцию к снижению вследствие возрастания аэродинамических потерь из-за повышения скорости воздушного потока во впускном тракте.

Рис. 3. Изменение коэффициента наполнения при работе двигателя по внешней скоростной характеристике при быстроходной (1) и тихоходной (2) регулировке фаз газораспределения

К сожалению, подобный тюнинг ГРМ под силу выполнить только самому предприятию-изготовителю двигателя, так как для этого требуется мощная экспериментальная и производственная база. Обычному предприятию автосервиса доступен разве что подбор эффективных фаз газораспределения путем изменения взаимного положения распределительного и коленчатого валов. В лучшем случае, это изготовление нового распределительного вала с измененными профилями и углами заклинки кулачков. Тем не менее, и в этом случае игра стоит свеч.