Действительный рабочий цикл подачи заряда смеси в цилиндр двигателя совершается каждый раз со свежей порцией рабочего тела, т. е. в начале каждого цикла в цилиндр поступает извне некоторое количество воздуха или готовой горючей смеси воздуха с топливом. Заряд цилиндра представляет собой массу смеси, оставшейся в цилиндре после закрытия впускных клапанов. Заряд состоит из топливно-воздушной смеси, поступившей в цилиндр до закрытия впускных клапанов, и остаточных отработавших газов.

 

 

Газообмен в двигателе

 

В двигателях внутреннего сгорания газооб­мен выполняет две основные функции:

• Удаление из цилиндра двигателя отрабо­тавших в предыдущем цикле газов;
• Обеспечение поступления кислорода, не­обходимого для горения топлива, в виде свежего воздуха.

 

Для оценки процесса теплообмена можно использовать параметры, определенные в стандарте DIN 1940. Для общего расхода воздуха λ_а = m_g/m_t общий заряд топлива m_g, перенесенный в течение рабочего цикла, определяется относительно теоретического максимума m_t для данного рабочего объема цилиндра. В отличие от него, коэффициент наполнения цилиндра зарядом λ_а1 = m_z/m_t определяется исключительно, исходя из ве­личины свежего заряда m_z, фактически при­сутствующего или оставшегося в цилиндре. Разность между этой величиной и величиной общего перенесенного заряда m_g представ­ляет собой часть газа, поступающего прямо в выпускной тракт на стадии перекрытия и, следовательно, недоступную для последую­щего сгорания.

Степень удержания λ_а = m_z/m_g является показателем величины остаточного заряда в цилиндре.

Эффективность очистки λ_s = m_z/(m_z + m_r) показывает объем свежего заряда m_z от­носительно общего заряда, состоящего из свежего заряда и остаточного газа m_r. Здесь параметр m_r показывает количество газа, оставшегося от предыдущих рабочих циклов по окончании процесса выпуска.

В двигателе с двухтактным рабочим циклом газообмен осуществляется за каждый оборот коленчатого вала; в двигателе с четырехтакт­ным рабочим циклом — за два оборота.

 

Четырехтактный рабочий цикл двигателя

 

Фазы газораспределения и, таким образом, газообмен регулируются посредством распре­делительного вала. Последний вращается с ча­стотой в два раза меньшей, чем коленчатый вал двигателя, от которого распределительный вал приводится. При вращении распределительный вал открывает клапаны, преодолевая усилия клапанных пружин; это обеспечивает впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов (соответственно через впускные и выпускные клапаны) (см. рис. «Диаграмма четырехтактного цикла» ). Перед подходом поршня к НМТ выпускной клапан открывается и около 50 % по объему продуктов сгорания выводится из цилиндра под действием большого давле­ния, созданного во время предшествующего такту выпуска такта рабочего хода. По мере перемещения поршня вверх во время такта выпуска он выталкивает почти все оставшиеся продукты сгорания.

Непосредственно перед тем, как поршень достигнет ВМТ, и перед закрытием выпуск­ного клапана начинает открываться впуск­ной клапан. Это положение носит название «перекрытие клапанов». После ВМТ выпуск­ной клапан закрывается при еще открытом впускном клапане; поршень при этом пере­мещается вниз и обеспечивает всасывание свежего заряда. Такт газообменного про­цесса, который носит название такта впуска, завершается сразу после достижения НМТ. Двумя следующими друг за другом тактами в четырехтактном рабочем цикле (рис.  «Газообмен в четырехтактном двигателе» ) явля­ются такт сжатия и такт рабочего хода.

На двигателях с искровым зажиганием с дроссельной заслонкой во время перекрытия клапанов происходит заброс отработавших газов из камеры сгорания во впускной тру­бопровод или из выпускного тракта обратно в камеру сгорания, а оттуда во впускной коллектор. Эта внутренняя рециркуляция отработавших газов вызывает повышение температуры в камере сгорания и содержа­ние инертных газов в цилиндре. Следствием этого является неоптимальное использова­ние мощности двигателя в диапазоне вы­соких нагрузок. При данной установке фаз газораспределения важно обеспечить ком­промисс, который, прежде всего для двига­телей с искровым зажиганием, определяется согласованием стратегии управления двига­телем с работой турбонагнетателя.

При раннем открытии выпускного клапана обеспечивается достаточное время для про­дувки цилиндра и уменьшение количества остаточных газов. За счет этого уменьшается работа, затрачиваемая на газообмен.

Момент закрытия впускного клапана ока­зывает наибольшее влияние на зависимость расхода воздуха от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Максимальный коэффициент наполнения цилиндра зарядом достигается при низких частотах вращения, когда впускной клапан закрывается раньше, и при высоких частотах вращения, когда он закрывается позднее.

 

Компромиссы в конструкторских требованиях

 

Обычно фазы газораспределения пред­ставляют компромисс между двумя кон­структорскими требованиями: получением максимального среднего эффективного дав­ления (и, таким образом, крутящего момента) и получением максимальной мощности. При более высоких частотах вращения коленча­того вала, соответствующих максимальной мощности, и при более широком скоростном диапазоне работы двигателя сохранить ука­занный компромисс крайне трудно. Эту тен­денцию невозможно нейтрализовать, в том числе и при помощи головок цилиндра с не­сколькими клапанами, с увеличенной площа­дью сечения впускного канала.

В тоже время требования к минимальному содержанию вредных выбросов в отрабо­тавших газах и к максимальному снижению расхода топлива означают, что все более важным становится обеспечение низких обо­ротов холостого хода и высокого крутящего момента (в сочетании с высокой удельной мощностью на единицу веса). Эти требова­ния вызывают необходимость в применении регулирования фаз газораспределения.

Преимуществом четырехтактного цикла являются высокий коэффициент наполнения цилиндра зарядом двигателя во всем диапа­зоне частот вращения коленчатого вала, низ­кая чувствительность к падению давления в выпускной системе, возможность влияния на кривую наполнения подбором фаз га­зораспределения и конструкцией впускной системы.

Недостатками четырехтактного цикла яв­ляются сложность механизма газораспреде­ления и низкая удельная мощность четырех­тактных двигателей без турбонаддува, поскольку для выработки полезной выходной мощности используется только каждый вто­рой оборот коленчатого вала.

 

Двухтактный цикл работы двигателя

 

В двухтактном цикле газообмен должен про­исходить в конце такта расширения и в на­чале такта сжатия. Продолжительность впу­ска и выпуска обычно определяется самим поршнем, когда он при перемещении вверх после НМТ последовательно перекрывает впускные и выпускные окна в стенке цилин­дра (рис. «Процесс газообменв в двухтактном двигателе с кривошипно-камерной продувкой» ). Однако, такая конфигурация тре­бует симметричных значений времени управ­ления и создает проблему прямого переноса свежей смеси в область выпуска. Кроме того, 15…25% рабочего объема вообще не исполь­зуется для производства работы, а для этой цели используется только объем заряда V_f  (рис.  «Диаграмма двухтактного цикла» ).

Так как в двухтактном цикле отдельные такты впуска и выпуска отсутствуют, ци­линдр должен заполняться воздухом и продуваться принудительно под давлением с помощью продувочного насоса. В наиболее часто встречающейся конструкции двигателя с кривошипно-камерной продувкой используется в качестве продувочного насоса полость картера. На рис. «Процесс газообменв в двухтактном двигателе с кривошипно-камерной продувкой» показан двухтактный двигатель с про­дувкой картера и предварительным сжатием, вместе с соответствующими процессами управления. Процессы, имеющие место со стороны кривошипной камеры, показаны на внутреннем круге, а со стороны цилиндра — на внешнем. Расположение впускных и вы­пускных окон, необходимое для обеспечения максимального коэффициента наполнения цилиндра зарядом, в решающей степени определяется положением поршня.

Умень­шить прямой сквозной поток из области впу­ска в область выпуска может горбовидная форма поршня.

 

 

Преимущества и недостатки двухтактного цикла

 

Преимуществами двухтактного цикла работы двигателя являются высокая выходная мощ­ность на единицу веса и рабочего объема двига­теля и более равномерное создание крутящего момента (один рабочий ход на один оборот).

Недостатками двухтактного цикла работы двигателя являются более высокий расход топлива, низкое среднее давление (вследствие меньшей массы заряда топлива), бо­лее высокие тепловые нагрузки (вследствие отсутствия рабочего хода газообмена), за­трудненный контроль состава смеси и более высокое содержание углеводородов в вы­бросах вследствие худших условий продувки цилиндра. К настоящему времени двухтактные циклы перестали играть заметной роли в связи с вступлением в силу строгих требований к ограничению содержания вредных веществ в выбросах двигателей.

 

Регулирование фаз газораспределения

 

Регулирование фаз газораспределения нахо­дит все более широкое применение и имеет различные цели. Эти цели включают следующее: увеличение мощности и крутящего момента; предотвращение дросселирования; контроль содержания остаточных отработав­ших газов; отключение цилиндра; контроль движения заряда топлива; облегчение холод­ного пуска двигателя и оптимизация процес­сов управления (например, массой заряда, со­держанием остаточных отработавших газов), оказывающих влияние на скорость вращения турбонагнетателя отработавших газов; регу­лирование температуры отработавших газов.

В настоящее время применяются раз­личные системы регулирования фаз газо­распределения. Их мотивация различна в зависимости от процессов сгорания топлива и концепции двигателя (с гомогенным сме­сеобразованием или с послойным распреде­лением заряда топлива).

 

Регулирование распределительного вала

 

Концепция регулирования впускного и вы­пускного распределительных валов приобре­тает все большую популярность, предлагая высокую степень гибкости во всем диапазоне режимов работы двигателя. Эта концепция заключается в регулировании положения распределительных валов относительно по­ложения коленчатого вала, тем самым в сдви­гании фаз газораспределения с сохранением той же формы открытия/закрытия клапанов. В настоящее время в системах регулирования фаз газораспределения находят применение электрические или электрогидравлические исполнительные устройства.

В двигателях с искровым зажиганием, работа­ющих на гомогенной смеси, впускной распреде­лительный вал смещен в сторону запаздывания, например, в диапазоне низких частот вращения и нагрузок. В то же время выпускной распреде­лительный вал смещен в сторону очень раннего закрытия клапанов (рис. «Способ регулировки фаз впукных клапанов путем поворота распределительного вала на определенный угол» ). Это минимальное перекрытие клапанов сводит к минимуму сквоз­ной поток свежей смеси в область выпуска. В то же время значительное запаздывание открытия впускного клапана также вызывает снятие дрос­селирования за счет соответствующего позднего закрытия впускного клапана, поскольку заряд смеси в цилиндре снова выпускается через впускной клапан после прохождения нижней мертвой точки. Для данной точки диапазона нагрузки, посредством сдвига впускного рас­пределительного вала, можно получить быстрое увеличение крутящего момента.

Регулирование положения выпускного распределительного вала также дает допол­нительные степени свободы. Оптимальная ре­гулировка впускного и выпускного распредели­тельных валов зависит от большого количества факторов. Главными из них являются режим работы и положение рабочей точки. Например, важное значение имеет турбонаддув отработав­ших газов или режим работы на бедной смеси (на дизельных двигателях, двигателях с искро­вым зажиганием с послойным распределением заряда топлива и т.д.). Примером положитель­ного эффекта системы регулирования фаз га­зораспределения в сочетании с турбонагнета­телем отработавших газов является зависимое от характеристики двигателя максимальное перекрытие клапанов (очень позднее закрытие выпускного клапана и очень раннее закрытие впускного клапана), при котором большая часть смеси направляется прямо из области впуска в область выпуска. Это может дать положитель­ный эффект увеличения массы воздушного потока, создаваемого турбонагнетателем от­работавших газов, а также его скорости. Регу­лирование положения впускного и выпускного распределительных валов дает возможность оптимизации различных процессов и поэтому все более широко применяется на современных двигателях с искровым зажиганием.

 

Системы с механизмом контроля формы кулачков

 

Кроме систем регулирования фаз газораспре­деления находят применение более простые системы, в которых в цифровой форме осу­ществляется адаптация к различным формам кулачков распределительных валов. Обычно такие системы обеспечивают большую вели­чину подъема клапанов при полной нагрузке и малую величину подъема в диапазоне частич­ных нагрузок. Это достигается за счет уста­новки на коромысле или толкателе клапана исполнительного механизма, который приво­дит в действие один или более (обычно два) кулачка на распределительном вале.

Также применяются системы, контролирую­щие только два положения распределитель­ного вала. В отличие от полностью регулируе­мых систем, эти системы, игнорируют команду точного позиционирования, поступающую на регулятор фазы распределительного вала.

 

Прочие регулируемые системы

 

В настоящее время все более быстрыми тем­пами ведется разработка новых, полностью регулируемых систем для двигателей с искро­вым зажиганием, некоторые из которых уже нашли применение на серийно выпускаемых автомобилях. Эти системы фокусируются на оптимизации фаз цикла газораспределения. В зависимости от конфигурации двигателя и режима работы применяются те или иные технические решения, каждое из которых направлено на оптимизацию потерь цикла, содержания остаточных отработавших газов или мощности двигателя (рис. «Влияние установки фаз газораспределения на рабочий цикл» ).

Для создания полностью регулируемых клапанных механизмов могут быть использо­ваны механические, электрогидравлические или электропневматические системы.

 

 

Механические системы

 

Механические полностью регулируемые клапан­ные механизмы обычно включают комбинацию регулятора, позволяющего изменять высоту подъема клапана, и регулятора фазы распреде­лительного вала. Основной функцией является регулирование высоты подъема клапана.

В этом случае приемлемое решение за­ключается в использовании обычного распре­делительного вала, который, однако, не воздействует непосредственно на клапан через коромысло или толкатель. Высота подъема клапана регулируется при помощи проме­жуточного рычага, положение оси поворота которого может изменяться при помощи экс­центрикового вала (рис. «Кривые подъема клапана на механическом, полностью регулируемом клапанном механизме» и  «Принцип действия механического полностью регулируемого клапанного механизма BMW Valvetronic). Обычно для привода таких систем используются электро­двигатели постоянного тока. Примером пол­ностью регулируемого клапанного механизма является система BMW Valvetronic. Допол­нительными преимуществами полностью ре­гулируемого клапанного механизма являются оптимизация распределения заряда топлива и потенциал увеличения скорости движения заряда за счет применения двух впускных кла­панов, открывающихся в диапазоне низких на­грузок в различные моменты времени за счет несколько различающихся эксцентриситетов.

 

Электромеханические системы

 

Электромеханические системы (электро­механические клапанные механизмы) на­ходятся на стадии разработки. В электромеханическом клапанном механизме для регулирования фаз газораспределения в ка­честве исполнительных устройств использу­ются электромагниты (рис. «Электромеханическая система» ). Следует отметить, что такие системы отли­чаются большим потребляемым электрическим током. В целях снижения потребляемой мощности система, состоящая из клапана, катушки и магнита, делается резонансной. В связи с высокой потребляемой мощностью и сложностью электромагнитные клапанные механизмы на серийно выпускаемых автомо­билях пока что не применяются.

 

 

Электрогидравлические системы

 

Электрогидравлические системы (электроги­дравлические системы регулирования фаз газораспределения) являются альтернативой для полностью регулируемых механических клапанных механизмов. В этом случае при­меняются иные принципы.

Эффективным подходом является прин­цип «потерянного движения». Движение передается на клапан от распределительного вала через промежуточный гидравлический элемент (рис. «Принцип действия электрогидравлических систем» ). Наличие электромагнит­ного гидравлического клапана дает возмож­ность неполной передачи движения кулачка. Поэтому форма огибающей обусловлена формой кулачка (рис. «Величина подъема кулачка в электрогидравлических системах» ).

Альтернатива представлена системой, в которой воздействие на клапаны осущест­вляется при помощи гидроаккумулятора и клапанов с электронной системой управле­ния. Системы этого типа находятся на стадии разработки и на серийно выпускаемых авто­мобилях пока что не применяются.

 

 

В зависимости от режима работы и продол­жительности активации имеет место утечка ча­сти гидравлической жидкости через гидравли­ческий клапан. Такие потери гидравлической энергии являются недостатком этой системы.

Электрогидравлические системы с 2004 года применяются на двигателях машин ком­пании Caterpillar, а с 2010 года — на некоторых моделях компании Fiat (система MultiAir).

 

Электропневматические системы

 

Электропневматические системы пока что нахо­дятся на стадии разработки. В настоящее время применения таких систем в серийном производ­стве не предвидится. Кроме сложной системы управления для таких систем требуется источник пневматической энергии. В настоящее время та­кие системы используются в исследовательских целях. Мощность, потребляемая источником сжа­того воздуха, должна быть обязательно включена в баланс КПД.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: