Газораспределительный механизм с изменяемыми фазами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирский государственный университет водного транспорта

Газораспределительный механизм с изменяемыми фазами

Технические науки

Штиб Алексей Викторович, студент

В статье приведен обзор и технических анализ газораспределительного механизма с изменяемыми фазами для применения в судовых энергетических установках с дизельными двигателями.

Совершенствование конструкции судовых дизелей направлено на повышение эффективности, экономичности и снижение вредных выбросов в атмосферу. Инженерное решение этих задач в основном направлено на совершенствование рабочего процесса судового дизеля, поэтому разработка и применение современных конструкций газораспределительных механизмов, в частности - газораспределительных механизмов с изменяемыми фазами, является актуальной.

В ходе рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания, механизм газораспределения должен обеспечивать оптимальные условия сжигания топлива в рабочей камере цилиндра двигателя за счет наполнения цилиндров порцией свежей горючей смеси (карбюраторные двигатели) или воздуха (дизели) и удаления в атмосферу продуктов сгорания.

Рабочие органы механизма газораспределения в определенный момент времени открывают и закрывают впускные и выпускные отверстия, которые сообщают цилиндры двигателя с впускными и выпускными коллекторами.

Для контроля и регулирования продолжительности открытия впускных и выпускных органов (например клапанов), выражаемой в градусах поворота коленчатого вала, а также их моментов открытия и закрытия, применяют понятие фаз газораспределения. Фазами газораспределения называют моменты открытия и закрытия впускных и выпускных органов относительно угла поворота коленчатого вала.

Открытие и закрытие впускных и выпускных органов происходит при нахождении поршня в верхней и нижней мертвых точках. Для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов и заполнения их свежим воздухом или горючей смесью, открытие и закрытие окон не совпадает с положением поршня в мертвых точках.

От степени наполнения цилиндров свежим воздухом или горючей смесью и очистки их от отработанных газов во многом зависит мощность и экономичность двигателя. Для наглядности и понимания происходящих процессов фазы газораспределения изображают в виде таблицы или круговой диаграммы.

В настоящее время в двигателях внутреннего сгорания используются следующие конструкции механизмов газораспределения: клапанные, золотниковые и комбинированные, шайбовые, щелевые.

Газораспределительные механизмы должны обеспечивать хорошую очистку и наполнение цилиндров при достаточной надежности в работе. Совершенство очистки и наполнения цилиндров зависит, главным образом, от величины проходного сечения газораспределительных органов и продолжительности их открытия.

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.

Традиционные конструкции механизмов газораспределения не обеспечивают, в полной мере, требуемые условия процесса сгорания топлива, особенно при работе двигателя на долевых нагрузках, что негативно сказывается на эффективности и экономичности двигателя. В связи с этим в современном двигателестроении активно разрабатываются и находят применение газораспределительные механизмы с изменяемыми фазами.

В современных автомобильных двигателях внутреннего сгорания нашли применение следующие конструкции систем газораспределения с изменяемыми фазами: Valvetronic, VTEC, VVT-i и другие [1, 2].

Система Valvetronic - устройство, позволяющее изменять ход клапана в зависимости от числа оборотов коленвала. Благодаря этому, на высоких оборотах достигается наилучшая вентиляция цилиндра, наилучшее его заполнение топливовоздушной смесью. При минимальных оборотах ход клапана минимален. При этом уменьшается эффект перекрытия клапанов, благодаря чему расход топлива минимален. С увеличением числа оборотов величина открытия клапанов увеличивается. При этом уменьшается сопротивление газовым потокам внутри цилиндра, скорость продувки и наполнения цилиндра топливовоздушной смесью возрастает.

Кроме того, увеличивается действие т.н. инерционного эффекта. Топливновоздушная смесь внутри цилиндра запирается клапанами при гораздо большем давлении, ее плотность выше, чем при минимальных оборотах. Кулачок, смещающий ось толкателя, имеет электрический привод. Это позволяет задавать угол поворота нелинейным и программировать его индивидуально для каждого двигателя. Испытания показали, что при 15-процентном повышении себестоимости двигатели с новой системой газораспределения, получившей название Valvetronic, дают 18-процентное снижение расхода топлива при работе на холостом ходу и 10-процентное при работе на частичных нагрузках. Проблема соответствия нормам Евро-4 успешно решена.

Привычная цепочка «распредвал -- коромысло -- клапан» была дополнена эксцентриковым валом и промежуточным рычагом. Эксцентриковый вал вращается приводимый от электродвигателя через червячную передачу. В созданной кинематической цепи электромотор, «руководимый» компьютером, поворачивая эксцентриковый вал, увеличивает или уменьшает плечо промежуточного рычага, задавая необходимую свободу перемещения коромыслу, с одной стороны опирающемуся на гидротолкатель, а с другой воздействующему на впускной клапан. Меняется плечо промежуточного рычага -- меняется высота подъема клапанов в соответствии с нагрузкой на двигатель.

Система Valvetronic устанавливается только на впускные клапаны. Изменение хода клапана осуществляется с помощью сложной кинематической схемы (рисунок 1) Эксцентриковый вал 9 приводится в движение от электродвигателя 1 через червячную передачу 2. Вращение эксцентрикового вала 9 изменяет положение промежуточного рычага 10, который, в свою очередь, задает определенное движение коромысла 11 и соответствующее ему перемещение клапана 16. Изменение высоты подъема клапана осуществляется непрерывно в зависимости от режимов работы двигателя. Такая система позволяет отказаться от использования дроссельной заслонки на некоторых режимах работы двигателя.

газораспределительный дизельный двигатель

В системе VTEC два кулачка расположены на внешних сторонах группы и отвечают за действие клапанов на низких оборотах, а средний подключается на высоких оборотах [2]. Внешние кулачки непосредственно контактируют с клапанами: опускают их при помощи коромысел (рокеров). Отдельный средний кулачок до поры до времени вращается и вхолостую нажимает на свое коромысло, которое активируется при достижении определенного высокого числа оборотов коленвала. В дальнейшем эта центральная часть отвечает за открытие и закрытие клапанов, хотя и действует как специальный промежуточный механизм. Когда двигатель работает на малом ходу, пары впускных и выпускных клапанов открываются соответствующими кулачками. Их форма, как и у большинства аналогичных моторов, выполнена в виде эллипса. Однако эти кулачки способны обеспечивать лишь экономичный режим работы двигателя и только на малых оборотах. При достижении высокой скорости вращения распредвала задействуется специальный механизм. «Незанятый» до этого работой средний кулачок вращался и без какого-либо эффекта нажимал на среднее коромысло, никак не связанное с клапанами. Однако во всех трех коромыслах предусмотрены отверстия, в которые под высоким давлением масла загоняется металлический пруток. Таким образом, группа жестко фиксируется и в дальнейшем работает как одно целое. Тут в работу вступает отдыхавший до этого средний кулачок. Он имеет более продолговатую форму и поэтому при его нажатии все три коромысла, а значит и клапана, опускаются гораздо ниже и на больший промежуток времени остаются открытыми. В этом случае двигатель может «дышать» свободнее, развивать и поддерживать высокий крутящий момент и хорошую мощность.

Система VVT-i (Variable Valve Timing intelligent - изменения фаз газораспределения) позволяет плавно изменять фазы газораспределения в соответствии с условиями работы двигателя. Это достигается путем поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных в диапазоне 40-60° (по углу поворота коленвала). В результате изменяется момент начала открытия впускных клапанов и величина времени "перекрытия" (то есть времени, когда выпускной клапан еще не закрыт, а впускной - уже открыт). Исполнительный механизм VVT-i размещен в шкиве распределительного вала - корпус привода соединен со звездочкой или зубчатым шкивом, ротор - с распредвалом. Масло подводится с одной или другой стороны каждого из лепестков ротора, заставляя его и сам вал поворачиваться. Если двигатель заглушен, то устанавливается максимальный угол задержки (то есть угол, соответствующий наиболее позднему открытию и закрытию впускных клапанов). Чтобы сразу после запуска, когда давление в масляной магистрали еще недостаточно для эффективного управления VVT-i, не возникало ударов в механизме, ротор соединяется с корпусом стопорным штифтом (затем штифт отжимается давлением масла).

Управление VVT-i осуществляется при помощи клапана VVT-i (OCV - Oil Control Valve). По сигналу блока управления электромагнит через плунжер перемещает основной золотник, перепуская масло в том или ином направлении. Когда двигатель заглушен, золотник перемещается пружиной таким образом, чтобы установился максимальный угол задержки.

В последнее время появились разработки систем газораспределения с изменяемыми фазами и для морских дизельных двигателей, например Caterpillar Marine Flexible Camshaft Technology (Морская гибкая технология распредвала фирмы Caterpillar). Эти двигатели отвечают требованиям DNV Clean Design по снижению выбросов оксидов азота в атмосферу, а также имеют уменьшенный расход топлива и низкое содержание CO2 в выхлопных газах. Подобные характеристики обеспечиваются длинным ходом поршня и технологией Flexible Camshaft Technology (FCT). Данная технология объединяет в себе преимущества регулируемых топливных систем и усовершенствованных воздушных систем, а также обеспечивает максимально эффективное использование конструкции современных двигателей. При использовании технологии FCT происходит регулировка фаз газораспределения при неполной нагрузке на двигатель. За счет этого оптимизируется компрессия и достигается более полное сгорание топлива. В результате при любой нагрузке в выхлопных газах двигателя M 43 C практически отсутствует дым, а также обеспечивается более экономичное сгорание тяжелого дизельного топлива.

Приведенный технический анализ газораспределительного механизма с изменяемыми фазами показывает что рабочий цикл двигателя совершенствуется за счет следующих процессов и параметров:

1. Улучшается процесс сгорания топлива, за счет корректирования топливовоздушного отношения при работе двигателя на долевых нагрузках.

2. Повышается экономичность двигателя.

3. Уменьшаются вредные выбросы отработанных газов в атмосферу.

Список литературы

1. ЗА РУЛЕМ., 2004, №1., с 72-73.

2. http://www.vtec.net/articles/.

3. Механизмы управления газораспределением автомобильных двигателей внутреннего сгорания., Методические указания., РПК «ПОЛИТЕХНИК» 2006., с 15-19

Размещено на Allbest.ru