Если вы читали статью «Как работают автомобильные двигатели», вы знаете о клапанах, которые пропускают топливно-воздушную смесь в двигатель и выхлопные газы из двигателя. В распределительном валу используются выступы (называемые кулачками). ), которые надавливают на клапаны, открывая их при вращении распределительного вала; пружины на клапанах возвращают их в закрытое положение. Это критически важная работа, которая может оказать большое влияние на работу двигателя на различных скоростях. На следующей странице этой статьи вы можете увидеть анимацию, которую мы создали, чтобы действительно показать вам разницу между рабочим распредвалом и стандартным.
В этой статье вы узнаете, как распределительный вал влияет на работу двигателя. У нас есть несколько отличных анимаций, показывающих, как различные компоновки двигателей, например одиночный верхний кулачок (SOHC) и двойной верхний кулачок (DOHC), действительно работают. А затем мы рассмотрим несколько изящных способов регулировки распределительного вала в некоторых автомобилях, чтобы он мог более эффективно работать с разными скоростями двигателя.
Начнем с основ.
Ключевыми частями любого распределительного вала являются кулачки. . Когда распределительный вал вращается, его кулачки открывают и закрывают впускной и выпускной клапаны одновременно с движением поршня. Оказывается, существует прямая зависимость между формой кулачков и поведением двигателя в разных диапазонах скоростей.
Чтобы понять, почему это так, представьте, что мы запускаем двигатель очень медленно — всего 10 или 20 оборотов в минуту (об/мин) — так что поршню требуется пара секунд, чтобы завершить цикл. На самом деле было бы невозможно запустить нормальный двигатель так медленно, но давайте представим, что мы могли бы. При такой малой скорости нам бы хотелось, чтобы кулачки имели такую форму:
Эта установка будет работать очень хорошо для двигателя, пока он работает на очень низкой скорости. Но что произойдет, если вы увеличите обороты? Давайте узнаем.
Когда вы увеличиваете число оборотов в минуту, конфигурация распределительного вала от 10 до 20 оборотов в минуту не работает. Если двигатель работает со скоростью 4000 об/мин, клапаны открываются и закрываются 2000 раз в минуту или 33 раза в секунду. На этих скоростях поршень движется очень быстро, поэтому топливовоздушная смесь, устремляющаяся в цилиндр, также движется очень быстро.
Когда впускной клапан открывается и поршень начинает такт впуска, воздушно-топливная смесь во впускном канале начинает ускоряться в цилиндре. К тому времени, когда поршень достигает нижней части такта впуска, воздух/топливо движется с довольно высокой скоростью. Если бы мы захлопнули впускной клапан, весь этот воздух/топливо остановился бы и не попал в цилиндр. Оставляя впускной клапан открытым немного дольше, импульс быстро движущегося воздуха/топлива продолжает нагнетать воздух/топливо в цилиндр, когда поршень начинает свой такт сжатия. Таким образом, чем быстрее работает двигатель, тем быстрее движется воздух/топливо, и тем дольше мы хотим, чтобы впускной клапан оставался открытым. Мы также хотим, чтобы клапан открывался шире на более высоких скоростях — этот параметр называется подъем клапана. , определяется профилем кулачка.
На анимации ниже показано, как обычная камера и производительная камера имеют разные фазы газораспределения. Обратите внимание, что циклы выпуска (красный кружок) и впуска (синий кружок) намного больше перекрываются на рабочем кулачке. Из-за этого автомобили с таким типом кулачка работают очень неровно на холостом ходу.
Любой данный распределительный вал будет идеальным только при одной частоте вращения двигателя. На любой другой частоте вращения двигатель не будет работать в полную силу. фиксированный распределительный вал Поэтому всегда компромисс. Вот почему автопроизводители разработали схемы изменения профиля кулачка при изменении частоты вращения двигателя.
В двигателях существует несколько различных вариантов расположения распределительных валов. Мы расскажем о некоторых из наиболее распространенных. Вы, наверное, слышали терминологию:
В следующем разделе мы рассмотрим каждую из этих конфигураций.
Такое расположение обозначает двигатель с одним кулачком на головку. . Так что, если это рядный 4-цилиндровый или рядный 6-цилиндровый двигатель, он будет иметь один кулачок; если это V-6 или V-8, у него будет два кулачка (по одному на каждую головку).
Кулачок приводит в действие коромысла, которые давят на клапаны, открывая их. Пружины вернуть клапаны в закрытое положение. Эти пружины должны быть очень прочными, потому что при высоких оборотах двигателя клапаны очень быстро прижимаются вниз, и именно пружины удерживают клапаны в контакте с коромыслами. Если бы пружины были недостаточно сильными, клапаны могли бы оторваться от коромысла и вернуться обратно. Это нежелательная ситуация, которая может привести к дополнительному износу кулачков и коромысел.
В двигателях с одним и двумя верхними распредвалами кулачки приводятся в движение коленчатым валом через ремень или цепь, называемую ремнем ГРМ. или цепь ГРМ . Эти ремни и цепи необходимо регулярно заменять или регулировать. Если ремень ГРМ порвется, кулачок перестанет вращаться, и поршень может ударить об открытые клапаны.
Двигатель с двумя верхними распредвалами имеет два распредвала на головку. . Таким образом, рядные двигатели имеют два кулачка, а V-образные — четыре. Обычно двойные верхние распредвалы используются в двигателях с четырьмя или более клапанами на цилиндр — один распределительный вал просто не может вместить достаточное количество кулачков для приведения в действие всех этих клапанов.
Основной причиной использования двойных верхних кулачков является возможность установки большего количества впускных и выпускных клапанов. Больше клапанов означает, что впускные и выхлопные газы могут проходить более свободно, потому что для них имеется больше отверстий. Это увеличивает мощность двигателя.
Последняя конфигурация, которую мы рассмотрим в этой статье, — это двигатель толкателя.
Как и в двигателях SOHC и DOHC, клапаны в двигателе с толкателем расположены в головке над цилиндром. Ключевое отличие состоит в том, что распределительный вал двигателя с толкателем находится внутри блока цилиндров. , а не в голове.
Кулачок приводит в действие длинные стержни, которые проходят через блок в головку и перемещают коромысла. Эти длинные стержни добавляют массу системе, что увеличивает нагрузку на пружины клапанов. Это может ограничить скорость двигателей с толкателями; верхний распределительный вал, который исключает толкатель из системы, является одной из технологий двигателя, которая сделала возможными более высокие обороты двигателя.
Распределительный вал в двигателе с толкателем часто приводится в движение шестернями или короткой цепью. Зубчатые передачи, как правило, менее подвержены поломкам, чем ременные передачи, которые часто встречаются в двигателях с верхним расположением распредвала.
Важным моментом в разработке систем распределительных валов является изменение фаз газораспределения каждого клапана. Мы рассмотрим фазы газораспределения в следующем разделе.
Есть несколько новых способов, с помощью которых автопроизводители изменяют фазы газораспределения. Одна система, используемая в некоторых двигателях Honda, называется VTEC. .
VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) — это электронная и механическая система в некоторых двигателях Honda, которая позволяет двигателю иметь несколько распределительных валов. Двигатели VTEC имеют дополнительный впускной кулачок с собственным коромыслом. , который следует за этой камерой. Профиль этого кулачка удерживает впускной клапан открытым дольше, чем другой профиль кулачка. При низких оборотах двигателя это коромысло не связано ни с какими клапанами. На высоких оборотах двигателя поршень блокирует дополнительное коромысло с двумя коромыслами, управляющими двумя впускными клапанами.
В некоторых автомобилях используется устройство, которое может передвигать фазы газораспределения. . Это не держит клапаны дольше открытыми; вместо этого он открывает их позже и закрывает позже. Это делается путем поворота распределительного вала вперед на несколько градусов. Если впускные клапаны нормально открываются за 10 градусов до верхней мертвой точки (ВМТ) и закрываются за 190 градусов после ВМТ, общая продолжительность составляет 200 градусов. Время открытия и закрытия можно изменить с помощью механизма, который немного поворачивает кулачок вперед по мере его вращения. Таким образом, клапан может открываться при 10 градусах после ВМТ и закрываться при 210 градусах после ВМТ. Закрытие клапана на 20 градусов позже — это хорошо, но было бы лучше иметь возможность увеличить продолжительность открытия впускного клапана.
Феррари имеет действительно аккуратный способ сделать это. Распределительные валы на некоторых двигателях Ferrari имеют трехмерный профиль. которая изменяется по длине кулачка. На одном конце кулачка находится наименее агрессивный профиль кулачка, а на другом конце - наиболее агрессивный. Форма кулачка плавно объединяет эти два профиля. Механизм может сдвигать весь распределительный вал вбок, так что клапан зацепляет разные части кулачка. Вал по-прежнему вращается, как обычный распределительный вал, но постепенно сдвигая распределительный вал вбок по мере увеличения частоты вращения двигателя и нагрузки, можно оптимизировать фазы газораспределения.
Несколько производителей двигателей экспериментируют с системами, которые позволили бы бесконечно изменять фазы газораспределения. Например, представьте, что на каждом клапане есть соленоид, который может открывать и закрывать клапан с помощью компьютерного управления, а не распредвала. С этим типом системы вы получите максимальную производительность двигателя при каждом числе оборотов в минуту. Чего стоит ожидать в будущем...
Для получения дополнительной информации о распределительных валах, фазах газораспределения и связанных темах перейдите по ссылкам ниже.
Первоначально опубликовано:13 декабря 2000 г.
Как вытащить машину из сугроба
Создать инфраструктуру для зарядки электромобилей нужно сейчас, а не позже
5 фактов о шинах вашего автомобиля, которых вы не знали
Летнее путешествие:5 шагов, чтобы подготовить свой автомобиль в эпоху COVID-19