сообщение №921

Фазами можно управлять

Важнейшие параметры двигателя — мощность и крутящий момент во многом зависят от фаз газораспределения, другими словами, от момента и продолжительности открытия клапанов. Один из недостатков, присущий почти всем автомобильным силовым установкам, заключается как раз в том, что на большей части скоростных и нагрузочных режимов фазы газораспределения не позволяют достичь наивыгоднейших мощности и момента. Это особенно сказывается при малых оборотах коленчатого вала.

Дело в том, что подбор фаз — это многосторонний компромисс, который должен обеспечить высокую литровую мощность, достаточный запас крутящего момента, пуск в холодную погоду, работу на бензине с умеренным октановым числом. Особенно влияет на параметры двигателя продолжительность открытия выпускного клапана после нижней мертвой точки (НМТ). Одни фирмы идут на сужение этой фазы выпуска, особенно у дизелей. Цель — улучшение пусковых качеств и увеличение крутящего момента. Другие, стремясь повысить литровую мощность, снизить требования к антидетонационным качествам топлива, предпочитают, наоборот, расширять ее. Пример этому двигатель ВАЗ-2108, у которого пуск заканчивается на 79° поворота коленчатого вала после НМТ по сравнению с 40° у моделей предыдущего поколения. Такой шаг открывает путь к увеличению степени сжатия и, в конечном счете, к улучшению экономичности при неизменном октановом числе бензина. В то же время сейчас есть тенденция к уменьшению перекрытия (одновременного открытия) клапанов с целью сделать двигатель экономичнее. Следовательно, в интересах уменьшения их перекрытия целесообразно открытие выпускного делать не очень ранним (относительно ВМТ).

Компромиссные сочетания параметров, на которые в большинстве случаев идут конструкторы, приводят к тому, что резервы литровой мощности двигателя, его тяговых качеств не используются целиком, растет выброс токсичных веществ, возникают другие отрицательные явления.

А если в процессе работы двигателя изменять моменты и продолжительность открытия клапанов так, чтобы для каждого скоростного режима можно было установить наивыгоднейшие? В развитие этой идеи за последние годы некоторые известные автомобильные фирмы не только получили патенты на устройства для изменения фаз, но и стали применять их в серийных двигателях. Отметим, что сама идея регулирования фаз восходит к первым годам существования автомобиля — Л. Рено выдвинул ее еще в 1902 году.

Рис. 1. Винтовой механизм «Альфа-Ромео»:
Рис. 1. Винтовой механизм «Альфа-Ромео»:

1 — электромагнит; 2 — шток; 3 — клапан; 4 — звездочка; 5 — винтовые (косозубые) шлицы; 6 — распределительный вал; 7 — полость; 8 — муфта; 9 — прямозубые шлицы.

Наиболее распространенный способ — бесступенчатое регулирование углового расположения распределительного вала относительно коленчатого (напомним, что в обычном моторе оно жестко задано шестеренным, цепным или зубчатоременным приводом).

В винтовом механизме регулирования (рис. 1) ведомая звездочка 4 привода соединена через прямозубые шлицы 9 с подвижной муфтой 8, которая, в свою очередь, посредством винтовых (косозубых) шлиц 5 связана с распределительным валом 6. Когда электромагнит 1 через шток 2 воздействует на клапан 3, в полости 7 создается давление масла, которое сдвигает муфту 8 словно поршень по косозубым шлицам. При этом она, а вместе с ней и звездочка 4 поворачиваются на некоторый угол относительно коленчатого вала.

В цепных или зубчатоременных механизмах (рис. 2) предусмотрены две регулировочные звездочки 3 или два ролика. При перемещении маятникового рычага или оправки одна из них натягивает свою ветвь цепи или ремня и смещает ее относительно ведомой звездочки.

Рис. 2. Зубчатоременный механизм:
Рис. 2. Зубчатоременный механизм:

1 — ведущая звездочка; 2 — ведомая звездочка; 3 — регулировочные звездочки.

Таким образом, она дополнительно поворачивает на небольшой угол звездочку 2, приводящую распределительный вал. В результате изменяются моменты открытия и закрытия клапанов. Другая регулировочная звездочка служит для компенсации дополнительного натяжения.

Дифференциальные механизмы (рис. 3) устанавливают между ведущим и ведомым валами. Здесь поворотом регулировочной шестерни 7 можно сообщить коробке 4 дифференциала поворот на некоторый угол, чем создается разница в угловом смещении между валами 1 и 5.

Рис. 3. Дифференциальный механизм; Рис. 4. Механизм типа «Лукас»:
Рис. 3. Дифференциальный механизм; Рис. 4. Механизм типа «Лукас»:

Рис. 3. Дифференциальный механизм: 1 — ведущий (коленчатый) вал; 2 — муфта; 3 — промежуточный вал; 4 — коробка дифференциала; 5 — распределительный вал; 6 — промежуточная шестерня; 7 — шестерня управления фазами.

Рис. 4. Механизм типа «Лукас»: 1 — внутренний вал; 2 — наружный вал; 3 — кулачок внутреннего вала; 4 — кулачок наружного вала.

Этим схемам свойствен серьезный недостаток — одновременное изменение конца и начала момента впуска. Теоретически возможно посредством подобных устройств неограниченно варьировать угловую продолжительность впуска после НМТ. Но изменять фазу начала, а потому и общую протяженность мешает опасность встречи клапана с поршнем вблизи ВМТ. Аналогично этому ограниченны и вариации углов выпуска.

Практически возможно изменять фазы подобным способом на 30—40° от угла поворота коленчатого вала. Но и такое сравнительно небольшое изменение (при существенном усложнении конструкции) дает положительные результаты: удается улучшить пусковые качества и наполнение цилиндров на малых оборотах, увеличить запас крутящего момента и одновременно литровую мощность.

Сложнее механизм бесступенчатого регулирования фаз фирмы «Лукас». Распределительный вал состоит из двух входящих одна в другую частей (рис. 4). На каждой из них, наружной и внутренней, закреплен кулачок, а механизм (на рисунке не показан), управляющий взаимным движением, позволяет плавно поворачивать один относительно другого на угол до 44°.

Рис. 5. Схема механизма ФИАТ с переменным вдоль оси профилем кулачка.
Рис. 5. Схема механизма ФИАТ с переменным вдоль оси профилем кулачка.

В качестве альтернативы этим решениям фирмой ФИАТ создан механизм с кулачком переменного по длине профиля (рис. 5). В нем кулачок распределительного вала сделан заметно шире, чем цилиндрический толкатель клапана, на который он воздействует. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала гидравлический и центробежный регуляторы (на схеме не видны) перемещают вал в осевом направлении — подводя в зону контакта участки кулачка, которым соответствуют разные фазы.

Менять продолжительность газораспределения при работе двигателя можно не только описанными выше способами, но и изменением кинематики привода клапанов. Для этого поверхности коромысел взаимодействуют с одноплечими рычагами, имеющими возможность поворота в плоскостях их качания (рис. 6). Рычаги поворачиваются под действием эксцентриков, что сопровождается перемещением линии контакта рычагов и коромысел.

Интересен способ ступенчатого регулирования фаз, запатентованный японской фирмой «Мазда». На распределительном валу два комплекта кулачков с разными профилями, оптимальными при работе двигателя в диапазонах низких и высоких частот вращения. Каждый клапан сопряжен с двумя коромыслами, соответственно контактирующими с одним и другим кулачком. Одно из коромысел включено в постоянную кинематическую связь кулачка с клапаном, а второе входит в контакт с клапаном при переходе на высокий скоростной режим посредством блокировки двух коромысел между собой.

Рис. 6. Механизм с изменением кинематики привода:
Рис. 6. Механизм с изменением кинематики привода:

1 — коромысло; 2 — эксцентрик.

Уже известны устройства, где клапаны приводятся электромагнитами, управление которыми синхронизировано с работой системы зажигания. Но создание компактных, быстродействующих и дешевых электромагнитов с относительно большими усилиями — пока нерешенная задача.

Чтобы изменять в процессе работы двигателя фазу конца впуска, устанавливают и дополнительные устройства во впускном тракте. В частности, фирма «Фольксваген» применила в экспериментальном двигателе вращающийся цилиндрический золотник (рис. 7), приводимый через вариатор, который может перекрыть впускной канал в любой момент и тем самым изменить фазу конца впуска. Но, поскольку он вращается с той же угловой скоростью, что и распределительный вал, у окна золотника не может быть фиксированных положений (полностью открытого и полностью закрытого). Поэтому неизбежны большие потери на перетекание газов при частично открытых окнах. Кроме того, на привод золотника расходуется мощность.

Рис. 7. Механизм фирмы «Фольксваген»: 1 — золотник; 2 — окно золотника.
Рис. 7. Механизм фирмы «Фольксваген»: 1 — золотник; 2 — окно золотника.

Сравнение разных механизмов показывает, что изменение только момента конца впуска дает серьезные преимущества на малых оборотах в условиях частичных нагрузок. На номинальной же частоте вращения необходимо запаздывание закрытия впускного клапана и увеличенное перекрытие фаз.

Варьируя момент закрытия впускного клапана, можно ощутимо изменить величину крутящего момента (рис. 8) во всем диапазоне оборотов коленчатого вала по сравнению с фиксированными фазами. Причем на низких оборотах пределы регулирования ограничивает только детонация.

По сравнению с обычным двигателем, работающим на частичных нагрузках, двигатель со смещаемым закрытием основного впускного клапана и неизменным моментом открытия имеет меньшие потери на впуске, а также пониженные удельный расход топлива, выброс СО и углеводородов.

Итак, наивыгоднейшее изменение фаз газораспределения в процессе работы двигателя способно повысить пусковые качества у дизелей, улучшить характеристики холостого хода, увеличить крутящий момент на низких скоростных режимах, снизить расход топлива у бензинового двигателя на 4—15%.

Рис. 8. Сравнение внешних скоростных характеристик двигателя ФИАТ-124 с фиксированными (сплошные линии) и переменными (прерывистые линии) фазами газо
Рис. 8. Сравнение внешних скоростных характеристик двигателя ФИАТ-124 с фиксированными (сплошные линии) и переменными (прерывистые линии) фазами газораспределения.

Может показаться, что все сказанное — лишь игра изобретательской мысли или, в крайнем случае, достояние опытных образцов. Но это не так. Известные фирмы «Альфа-Ромео», «Ниссан» и другие уже серийно оборудуют автомобили двигателями с переменными фазами.

Проблемы стоимости, надежности и долговечности рассмотренных устройств предопределили пока узкий круг их применения. Но в ближайшем будущем можно ожидать более массового использования подобных механизмов благодаря появлению новых конструкторских решений.

В настоящее время, когда резервы совершенствовать двигатель другими способами исчерпываются, возможность изменения фаз привлекает внимание изобретателей и ученых, которые видят в ней один из путей к решению проблем экологии, экономии сырьевых ресурсов, снижения эксплуатационных затрат.

М. МОРОЗОВ, инженер (За Рулем №2, 1990)