Техніка розподілу двигуна

Розподіл є важливою складовою у розробці двигуна. Вона спрямована на точну синхронізацію відкриття та закриття впускного та випускного клапанів до положення поршня кожного циліндра. Його хороше функціонування та його еволюція дозволяють отримати квінтесенцію двигуна з точки зору продуктивності та значно сприяють зменшенню забруднюючих викидів.

двигуна

Від колінчастого вала до розподільного вала

Існує два основних способи передачі розподільного вала: ремінним або ланцюговим. Пояс пропонує безліч переваг, включаючи легкість і тишу. Зазвичай це насічка для забезпечення точної передачі руху з мінімальним ковзанням між шківами та ременем.

ГРМ в основному складається з 3 елементів:

  • Смужка зі склопластику (зазвичай у формі шнура), яка забезпечує правильну жорсткість ременя для передачі зусиль колінчастого вала на розподільних валах з точністю
  • Гума для захисту скляних волокон
  • Покриття проти стирання, як правило, нейлонове, що контактує зі шківами колінчастого і розподільного валів

У деяких додатках (наприклад, Ford 1.0l Ecoboost, Peugeot 1.2l Puretech та Volkswagen 1.6l/2.0l TDI) ремінь ГРМ змащується (його також називають ременем для масляної ванни). Цей прийом дозволяє, насамперед, зменшити тертя (на користь економічності двигуна). По-друге, цей тип ременя краще захищений від зовнішніх агресій, таким чином інтервали заміни ременя можуть бути значно довшими порівняно зі звичайним ременем.

Щоб забезпечити належний натяг ременя, останній, як правило, оснащений натяжним роликом та одним або декількома ходовими ходами, щоб точно направляти ремінь.

Ланцюг ГРМ також часто використовується в конструкції двигуна. Порівняно з ременем ГРМ, його зазвичай не потрібно замінювати протягом усього терміну експлуатації двигуна, і він значно менш чутливий до зовнішніх впливів (спека, бензин, масло, сіль тощо). Як такий, він вважається більш надійним рішенням.

Однак ланцюг дистрибуції має не тільки переваги. По-перше, це дорожче рішення. З іншого боку, він голосніший і важчий за звичайний ремінь. Однак, будучи безпосередньо приводимим в рух колінчастим валом, очевидно, що його більша маса є недоліком з точки зору зменшення тертя і, отже, витрати палива.

Від розподільного вала до клапанів

"Подвійний верхній розподільний вал" (також відомий під абревіатурою DOHC - Подвійний верхній розподільний вал), безумовно, є найбільш використовуваним принципом у конструкції автомобільних двигунів. Це передбачає встановлення двох розподільних валів над кожною банкою циліндрів: один для впускних клапанів, інший для випускних клапанів.

У деяких випадках конструкція повинна бути простішою і використовує лише один верхній розподільний вал (SOHC - Single Over-Head Camshaft), який управляє як відкриванням впускних клапанів, так і клапанів.

У деяких додатках (наприклад, американські V8, встановлені на Chevrolet Corvette або Dodge Charger), двигун перекидається (інакше він називається бічним або центральним розподільним валом). Для цих застосувань одинарний розподільний вал розміщений у центрі V, утвореного циліндрами (у разі V двигуна). Кулачки будуть приводити в дію шток коромисла перед тим, як коромисло поверне рух назад, щоб відкрити клапани.

Впалі двигуни, як правило, вважаються елементарною механікою. Як правило, ланцюг ГРМ або ремінь значно коротший у порівнянні з ланцюгами розподільних валів верхнього рівня. З іншого боку, особливо для V-двигунів (V6, V8, ...), можливість розміщення розподільного валу в центрі V дає можливість створити набагато компактніший двигун.

Недоліком цього є те, що двигуни, що перекидаються, часто обмежені максимальною частотою обертання двигуна, а технології, придатні для подвійних кулачкових систем, досить складні для застосування до двигунів, що падають.

Двигуни бокових розподільних валів, як правило, зменшують максимальні обороти в хвилину через відстань між розподільним валом і клапанами, що може призвести до неточності синхронізації клапанів при високих оборотах двигуна. З іншого боку, коромисла обмежують кут нахилу клапанів, на відміну від двигунів верхнього розподільного валу: це, як правило, заважає коромислам досягти високих ступенів стиснення.

Тим не менше, бажаючи запропонувати двигуни з високим робочим об'ємом (що гарантує велику кількість крутного моменту на низьких оборотах, не обов'язково вдаючись до наддуву) у відносно невеликих моторних відсіках, деякі виробники наполегливо розробляють цей тип двигунів. працювати з найсучаснішими технологіями.

У випадку двигунів, розроблених General Motors, їм вигідні прямий вприск, змінна синхронізація клапанів та часткове вимкнення циліндра. Теоретично, оскільки є лише один розподільний вал, неможливо змінювати терміни впускних клапанів незалежно від випускних клапанів.

Знову ж таки, деякі виробники двигунів обійшли цю проблему за допомогою розподільного валу, який ефективно складається з 2 концентричних валів: один прикріплений до кулачків впускного клапана, інший приєднаний до випускних клапанів. Тому можна самостійно змінювати терміни впускного та випускного клапанів. Ця технологія застосовується на Chrysler Viper V10, зокрема, з 2008 року. У цьому випадку змінні терміни роботи клапанів мають вигоду лише випускні клапани. Потенційно, впускні клапани також можуть мати власні терміни.

Нарешті, незважаючи на обмеження кута нахилу клапанів, General Motors домігся успіху в розробці багатоклапанних (4 на циліндр) впалих двигунів, таких як турбодизель Duramax V8.

Спуск клапана

Профіль кулачка безпосередньо визначає висоту підйому клапана, а також тривалість (кут) відкривання клапана. Кулачки можуть діяти на клапани 3-ма різними способами:

  • Рокери
  • Пряма атака
  • Роликові серветки

Коли розподільний вал встановлений збоку, кулачки тиснуть на коромисла (як правило, забезпечені гідравлічним підйомником клапана), які передаватимуть рух коромислу. Останній змінить напрямок тяги, щоб натиснути на клапани.

У разі прямого приводу кулачки тиснуть безпосередньо на гідравлічний підйомник клапана (що дозволяє постійно контролювати зазор між кулачками та клапанами через підвищення температури та властиве подовження штоків клапана), закріплене на штоку клапана. Це рішення є одночасно компактним і недорогим.

Хоча роликові засувки схожі за формою на коромисла, вони досить широко відрізняються за своєю роботою. У випадку коромисла, напрямок тяги змінюється між штоком коромисла і клапаном, тоді як у випадку засувки він однаковий. Валик забезпечує більшу гнучкість конструкції двигуна (можливість відведення клапанів від розподільного вала, можливість використання лише одного розподільного вала). Перш за все, порівняно з безпосереднім спрацьовуванням клапанів, тертя із засувками значно зменшується завдяки роликам.

Клапани

Кількість клапанів зазвичай може коливатися від 2 до 5 на циліндр. Зазвичай впускні клапани більші за випускні, за винятком випадків, коли число клапанів непарне. У цьому випадку впускні клапани менші, але більш численні (2 впускних клапана і випускний клапан у випадку, коли кожен циліндр має 3 клапани, 3 впускні клапани та 2 випускні клапани). Випуск, якщо циліндр закритий 5 клапанами.

Випускні клапани менші з двох причин. Перший полягає в тому, що згорілі гази дуже гарячі (повітря, що надходить у балон під час забору, має кімнатну температуру). Коли випускні клапани відкриваються, згорілі гази знаходяться під тиском, що сприяє їх швидкій евакуації до випускного колектора. Друга причина полягає в тому, що легше відводити тепло за допомогою невеликих поверхонь.

Впускний клапан охолоджується природним шляхом, оскільки він бачить проходження холодного повітря. Випускний клапан постійно піддається високій температурі відпрацьованих газів. Ця особливість може порушити надійність клапана, якщо його головка має занадто великий діаметр. Крім того, якщо він погано охолоджується, він стає гарячою точкою в циліндрі, що може бути шкідливим під час фази стиснення (ризик самозаймання або стуку).

Помноження кількості клапанів також дозволяє значно збільшити секцію газового потоку у клапанах, що дозволяє, з одного боку, краще заповнювати балон, а з іншого боку, легше відводити відпрацьовані гази.

Клапан зазвичай виготовляється з твердого металу. У деяких випадках і для кращого відведення тепла клапани можуть бути порожнистими. Потім останню наповнюють натрієм, який допоможе розсіювати тепло у напрямку до штока клапана.

Зазвичай приблизно 75% тепла в клапанах розсіюється в голівці, коли клапан закритий і головка контактує з гніздом клапана. Натрій допомагає розсіювати частину тепла на штоку клапана (зменшуючи тепло, що розсіюється між головкою клапана та гніздом клапана до 50%), що може додатково знизити температуру в головці клапана з 80 ° C.

Змінна синхронізація клапанів (VVT)

Призначення змінної синхронізації клапанів полягає в тому, щоб затримати або просунути відкриття впускного та/або випускного клапанів. Його робота не впливає на висоту підйому клапана або тривалість відкриття клапана. Змінні терміни можуть бути виконані на одному розподільному валі (впускному або випускному) або на обох валах.

Змінна синхронізація оптимізується, коли клапани відкриваються і закриваються, щоб відповідати умовам роботи двигуна. Насправді, залежно від потоку та швидкості газів, ідеальна точка закриття/відкриття неоднакова: змінна синхронізація часу дозволяє реагувати на цю проблему та оптимізувати крутний момент на низькій та високій швидкості, а також зменшувати забруднення викиди газів, особливо при частковому навантаженні.

Нарешті, змінна синхронізація дає можливість розглянути (як, наприклад, Audi або Infiniti) кілька режимів роботи двигуна. При низькому навантаженні ефективність двигуна сприяє циклу типу Аткінсона (пізнє закриття клапанів під час фази стиснення) та високому перетину клапанів (тривалість, під час якого випускний та впускний клапани відкриваються одночасно), щоб сприяти рециркуляції вихлопних газів газів (EGR) у балоні. Ця методика значно зменшує викиди оксиду азоту та ризик стуку через нижчий вміст кисню у відпрацьованих газах.

Фазовий зсув розподільного вала можна здійснити гідравлічно або, рідше, за допомогою електродвигуна (наприклад, Toyota VVT-iW). Якщо остання техніка є дорожчою, вона дозволяє більш точно контролювати час, незалежно від частоти обертання двигуна або навантаження двигуна.

Змінний підйом клапана (VVL)

В основному існує 2 типи змінних систем підйому клапанів: дискретна система, яка спирається на різні профілі кулачків (2 або 3 різні профілі), щоб змінювати висоту підйому (Audi Valvelift, Honda VTEC, Porsche Variocam Plus тощо) і безступінчаста система (BMW Valvetronic, Fiat Multiair).

У разі 2-х або 3-х профільної системи впускні клапани, як правило, відкриваються на низьку висоту при малому та середньому навантаженні, щоб мінімізувати турбулентність, спричинену дросельним клапаном, і зменшити витрату палива. Коли двигун працює при повному навантаженні та високих обертах, система перемикається на більш агресивні кулачки для оптимізації потужності та крутного моменту.

У разі безступінчастої системи вони дають змогу відмовитися від дросельної заслінки, яка створює сильні обмеження при низькому та середньому навантаженні, за рахунок ефективності: це особливо актуально у випадку атмосферного двигуна. Потім забір повітря в балонах регулюється висотою підйому клапана.

Що стосується двигуна з турбонаддувом, то коефіцієнт корисної дії є менш значним завдяки наддуву. Проте це дозволяє краще реагувати на прискорювач.

Часткове вимкнення балонів

Дезактивація циліндрів припиняє впорскування деяких циліндрів, щоб значно зменшити споживання палива і тим самим викиди забруднюючих речовин, коли потреба крутного моменту низька.

Дезактивація циліндрів була популяризована на двигунах V8 з великим робочим об'ємом перед розповсюдженням на більш поширені двигуни (4 циліндри в лінії) та малий об'єм (3 циліндри в лінії).

Існує кілька методів дезактивації циліндрів: або шляхом зміщення розподільного вала, щоб кулачки циліндрів більше не тиснули на клапани (Volkswagen ACT), або за допомогою гідравлічних підйомників клапанів, які будуть сприймати рух, наданий кулачками (Ford 1.0l Ecoboost, Mercedes, General Motors).

Фотографії: BMW/Continental/Mercedes/General Motors

Ви абсолютно праві, я зробив друкарську помилку в статті: це справді шток клапана, а не головка. дякую за пильність!

Я не впевнений, що ми говоримо про одне і те ж, але система, яку ви описуєте, нагадує мені VEB, розроблений Volvo, який використовує клапан після турбо для утримання вихлопних газів і специфічні роликові засувки, що дозволяють зменшити підйом клапана під час гальмування для максимального гальмування двигуном.

Щодо "великих" двигунів, що використовуються в промислових цілях, справді не дивно, що вони мають коромисла, ця технологія, безсумнівно, підходить, тим більше, що ці двигуни працюють не на високих швидкостях.

Нещодавно відкривши цикли Аткінсона та Міллера, у мене виникає очевидне запитання (я не знайшов кращої статті, щоб його опублікувати.):

Чому всі двигуни не використовують ці цикли, якщо вони забезпечують кращу ефективність ?

Цикли Аткінсона/Міллера ефективні, але вони ефективні не в усіх умовах: їх основні якості виявляються при середній швидкості/низьких та середніх навантаженнях. При використанні двигуна в іншому діапазоні (особливо при високих обертах) ці цикли в основному втрачають інтерес.

Коли ми хочемо базуватися на циклі Аткінсона, то переважно забезпечити двигун "подвійного характеру", який, таким чином, зводиться до роботи відповідно до класичного циклу Бо де Роша на високій швидкості. Для цього потрібна технологія (подвійний регульований фаз газорозподілу клапанів - мінімум VVT), котра вимагає собівартості, яку не всі виробники можуть собі дозволити залежно від моделі автомобіля.

Тим не менше, ми можемо бачити, що багато останніх двигунів (коли вони оснащені подвійним синхронізацією), малої робочої сили чи ні, використовують цикли, подібні циклам Аткінсона/Міллера, протягом частини їх робочого діапазону.