Газораспределение двухтактных двигателей. Что такое фазы газораспределения и как они работают Сущность и роль фаз газораспределения

Итак, что же это такое и для чего нужно. Расписывать основы работы 2Т двигателей не буду, так как их все знают, но не все понимают, что такое фазы газораспределения и почему они именно такие, а не другие.
Фазы газораспределения - это промежуток времени, за который открываются и закрываются окна в цилиндре при движении поршня вверх-вниз. Считаются они в градусах поворота колен вала двигателя. К примеру, фаза выпуска в 180 градусов означает, что выпускное окно начнет открываться, будет открыто, а затем закроется при половине оборота (180 из 360) колен вала двигателя. Также надо сказать, что окна открываются при движении поршня вниз. И открываются на максимум в нижней мертвой точке (НМТ). Затем при движении поршня вверх закрываются. Из-за такой особенности конструкции 2Т двигателей фазы газораспределения получаются симметричными относительно мертвых точек.

Для полноты картины процесса газораспределения надо также сказать и о площади окон. Фаза, как я уже писал это время, в течение которого открываются и закрываются окна, но не менее важную роль играет и площадь окна. Ведь при одном и том же времени открытия окна, смеси (продувка) пройдет больше через то окно, которое больше по площади и наоборот. Тоже самое и для выпуска, отработавших газов больше уйдет из цилиндра, если площадь окна больше.
Общий термин, характеризующий весь процесс протекания газов через окна, называется время-сечение.
И чем он больше, тем выше мощность двигателя и наоборот. Именно поэтому мы видим такие огромные по сечению каналы продувки, впуска и выпуска, а также высокие фазы газораспределения на современных высокофорсированных 2Т двигателях.

Итак, мы видим, что функции газораспределения выполняют окна цилиндра и поршень, который их открывает и закрывает. Однако из-за этого теряется время, в течение которого поршень совершал бы полезную работу. По сути, мощность двигателя формируется только до открытия выпускного окна и при дальнейшем движении поршня вниз создание крутящего момента не происходит либо очень незначительно. В общем, объем двигателя 2Т в отличие от 4Т используется не полностью. Поэтому первостепенной задачей конструкторов является увеличение времени - сечения при минимальных фазах. Это дает лучшие показатели кривых момента и экономичности, чем притом же времени – сечении, но более высоких фазах.
Но поскольку диаметр цилиндра ограничен, а также ограничены и ширина окон, то для достижения высокого уровня форсирования двигателя приходится повышать фазы газораспределения.
Многие люди, желая достичь большей мощности начинают увеличивать окна в цилиндре либо наугад, либо по чьему то совету или где то вычитав совет, но не очень то понимают, что получат в итоге, и правильно ли делают. А может им совсем другое надо?
Допустим у нас имеется какой либо двигатель и мы хотим получить от него большей отдачи. Что нам делать с фазами? Первое что многим приходит на ум – пропилить выпускные окна вверх, либо поднять цилиндр за счет прокладки, а также пропилить впуск вниз или подрезать поршень со стороны впуска. Да, таким образом мы добьемся увеличения фаз и как следствие времени - сечение, но какой ценой. Мы уменьшили время, в течение которого поршень будет делать полезную работу. Почему же вообще увеличивается мощность при увеличении фаз, а не уменьшается? Увеличивается время – сечение скажите вы, да это так. Но не забываем что это 2Т двигатель и в нем весь принцип работы построен на резонансных волнах давления и разряжения. И по большей части ключевую роль здесь играет выпускная система. Именно она создает разряжение в цилиндре при начале выпуска, вытягивая отработавшие газы, а также вслед вытягивает и смесь из продувочных каналов, увеличивая время-сечение продувки. А также дозаправляет обратно вылетевшую смесь из цилиндра назад в цилиндр. В результате мы имеем увеличение мощности при увеличении фаз. Но нельзя забывать также что выпускная система настроена на определенные обороты, за пределами которых смесь, вылетевшая из цилиндра не возвращается обратно, а полезный ход поршня уменьшен из-за высоких фаз. Вот и выходит провал мощности и перерасход топлива на нерезонансных частотах двигателя.
Так можно ли получить ту же мощность и уменьшить провал и расход топлива? Да, если добиться того же время - сечения без увеличения фаз газораспределения!
Но что это означает на практике? Увеличение ширины окон и сечение каналов ограничено толщиной стенок каналов и предельными величинами ширины окон из-за работы колец. Но пока есть резерв, его надо использовать, а только затем повышать фазы.
Итак, если вы сами толком не знаете, чего хотите и как многие говорят - хочу мощности, но и чтобы низы не пропали, тогда увеличиваете пропускную способность каналов и окон без увеличения фаз. Если вам этого окажется мало, повышаете фазы постепенно. К примеру, оптимально будет на 10 градусов выпуск, на 5 градусов продувку.
Хотелось бы немного отступить и отдельно сказать о фазе впуска. Тут нам очень повезло, когда люди придумали обратный пластинчатый клапан, в простонароде лепестковый клапан (ЛК). Плюс его в том, что он автоматически изменяет фазу впуска и площадь впуска. Таким образом, он изменяет время-сечение впуска по потребностям двигателя в данный конкретный момент. Главное изначально правильно его подобрать и установить. Площадь клапана должна быть больше площади сечения карбюратора в 1,3 раза, чтобы не создать лишнего сопротивления потоку смеси.

Сами впускные окна должны быть еще больше, а фаза впуска должна быть максимально большой, чтобы ЛК начинал работать как можно раньше. В идеале с самого начала движения поршня вверх.
Примером того, как можно добиться максимальной фазы впуска, могут служить следующие фото доработок впуска(не Ява, но суть от этого не меняется):

Это один из лучших вариантов доработки впуска. По сути, впуск здесь представляет комбинированный вариант впуска в цилиндр и впуска в картер(впускной канал постоянно соединён с кривошипно-шатунной камерой, КШК). Это также увеличивает ресурс НГШ за счет лучшего обдува свежей смесью.

Для формирования этого канала, соединяющего впускной канал с КШКв картере выбирается максимально возможное количество металла, который расположен со стороны впуска возле гильзы.

В самой гильзе делаются дополнительные окна ниже основных.

В рубашке цилиндра также выбирается металл возле гильзы.
Правильно установленный ЛК позволяет один раз и навсегда решить проблему с подбором фазы впуска.
Кто же все-таки решился добиться большей мощности и знает на что нацелен, готов пожертвовать низами ради взрывного подхвата на верхах, тот может смело увеличивать фазы газораспределения. Лучшим решением будет использование чужого опыта в этом деле.
К примеру, в зарубежной литературе даются такие рекомендации:

Вариант Road race я бы исключил, так фазы очень экстремальные, рассчитанные на шоссейно-кольцевые гонки и при езде на обычных дорогах не практичны. Да и скорей всего рассчитаны под мощностной клапан, уменьшающий фазу выпуска на низких и средних оборотах до приемливого уровня. В любом случае делать фазу выпуска больше 190 градусов не стоит. Оптимальный же вариант как по мне 175-185градусов.

По поводу продувки… тут все более - менее указано оптимально. Однако как понять сколько будет крутить ваш двигатель? Можно поискать уже доработки людей и выяснить у них, а можно просто взять усредненные числа. Это в районе 120-130 градусов. Оптимально 125 градуса. Более высокие числа относятся к меньшим кубатурам двигателей.
И ещё, с повышением фаз продувки также надо поднять и её давление, т.е. картерное сжатие. Для этого нужно максимально уменьшать объём кривошипно-шатунной камеры убирая лишние пустоты. Например, для начала заглушив балансировочные отверстия в коленчатом валу. Заглушки нужно делать из максимально лёгкого материала, чтобы те не повлияли на балансировку КВ. Обычно их вырезают из винных пробок(пробковое дерево) и загоняют в балансировочные отверстия, после чего с обоих сторон промазывают эпоксидкой.

По поводу впуска я писал выше, что лучше поставить ЛК и не ломать себе голову с подбором фазы.

Итак, допустим, вы определились, как будете дорабатывать свой двигатель, какие фазы газораспределения у него будут. Теперь, как же проще всего посчитать, сколько это в мм.? Очень просто. Есть математические формулы определения хода поршня, которые можно приспособить к нашим целям, что я и сделал. Один раз занес формулы в программу Exсel и получил программу по высчитыванию фаз газораспределения продувки и выпуска (ссылка для скачивания программы в конце статьи ).
Нужно только знать длину шатуна (Ява 140мм, ИЖ юпитер, восход, минск 125мм, ИЖ пс 150мм. При желании в интернете можно найти длину практически любого шатуна) и ход поршня.
Программа сделана таким образом что определяет расстояние от верхней кромки окна до края гильзы. Почему так, а не скажем просто высоту окна? Потому что это наиболее точное определение фаз. В верхней мертвой точке днище поршня ОБЯЗАНО находиться на одном уровне с краем гильзы из-за сквиша (особенности формы камеры сгорания для бездетонационной работы), и если оно вдруг не на одном уровне, то прийдеться подогнать цилиндр по высоте(например, подбором толщины прокладки под цилиндром). А вот в нижней мертвой точке днище поршня как правило находится не на одном уровне с кромками окон, а чуть выше, т.е. поршень не полностью открывает окна! Такие конструктивные особенности, ничего не поделаешь. Но это означает, что окна работают не на всю свою высоту, а поэтому фазы по ним определятся, не могут!

Качество работы двигателя внутреннего сгорания автомобиля зависит от многих факторов, таких как мощность, коэффициент полезного действия, объем цилиндров.

Большое значение в моторе имеют фазы газораспределения, и от того, как происходит перекрытие клапанов, зависит экономичность ДВС, его приемистость, стабильность работы на холостых оборотах.
В стандартных простых двигателях изменение фаз ГРМ не предусматривается, и такие моторы не отличаются высокой эффективностью. Но в последнее время все чаще на автомашинах передовых компаний, таких как Хонда, Мерседес, Тойота, Ауди все чаще стали применяться силовые агрегаты с возможностью изменения смещения распределительных валов по мере изменения количества оборотов в ДВС.

Диаграмма фаз газораспределения двухтактного двигателя

Двухтактный двигатель отличается от четырехтактного тем, что рабочий цикл у него проходит за один оборот коленвала, в то же время на 4-тактных ДВС он происходит за два оборота. Фазы газораспределения в ДВС определяются продолжительностью открытия клапанов – выпускных и впускных, угол перекрытия клапанов обозначается в градусах положения к/в.

В 4-тактных моторах цикл наполнения рабочей смеси происходит за 10-20 градусов до того, как поршень придет в верхнюю мертвую точку, и заканчивается через 45-65º, а в некоторых ДВС и позднее (до ста градусов), после того как поршень пройдет нижнюю точку. Общая продолжительность впуска в 4-тактных моторах может длиться 240-300 градусов, что обеспечивает хорошую наполняемость цилиндров рабочей смесью.

В 2-тактных движках продолжительность впуска топливовоздушной смеси длится на повороте коленвала приблизительно 120-150º, также меньше длится и продувка, поэтому наполнение рабочей смесью и очистка выхлопных газов у двухтактных ДВС всегда хуже, чем у 4-тактных силовых агрегатов. На рисунке ниже показана диаграмма фаз газораспределения двухтактного мотоциклетного двигателя движка К-175.

Двухтактные движки применяются на автомобилях нечасто, так как они обладают более низким КПД, худшей экономичностью и плохой очисткой выхлопных газов от вредных примесей. Особенно актуален последний фактор – в связи с ужесточением норм экологии важно, чтобы в выхлопе двигателя содержалось минимальное количество CO.

Но все же у 2-хтактных ДВС есть и свои преимущества, особенно у дизельных моделей:

• силовые агрегаты компактнее и легче;
• они дешевле стоят;
• двухтактный мотор быстрее разгоняется.

На многих автомобилях в 70-х и 80-х годах прошлого столетия в основном устанавливались карбюраторные двигатели с «траблерной» системой зажигания, но многие передовые компании по производству автомашин уже тогда начали оснащать моторы электронной системой управления двигателем, в которой всеми основными процессами управлял единый блок (ЭБУ). Сейчас практически все современные авто имеют ЭСУД – электронная система применяется не только в бензиновых, но и в дизельных ДВС.

В современной электронике присутствуют различные датчики, контролирующие работу двигателя, посылающие сигналы блоку о состоянии силового агрегата. На основании всех данных от датчиков ЭБУ принимает решение – сколько необходимо подавать топлива в цилиндры на тех или иных нагрузках (оборотах), какой установить угол опережения зажигания.

Датчик фаз газораспределения имеет еще одно название – датчик положения распредвала (ДПРВ), он определяет положение ГРМ относительно коленвала. От его показаний зависит, в какой пропорции будет подаваться топливо в цилиндры в зависимости от количества оборотов и угла опережения зажигания. Если ДПРВ не работает, значит, фазами ГРМ не контролируются, и ЭБУ не «знает», в какой последовательности необходимо подавать топливо в цилиндры. В результате возрастает расход топлива, так как бензин (солярка) одновременно подается во все цилиндры, двигатель работает вразнобой, на некоторых моделях авто ДВС вовсе не запускается.

Регулятор фаз газораспределения

В начале 90-х годов 20-го века стали выпускаться первые двигатели с автоматическим изменением фаз ГРМ, но здесь уже не датчик контролировал положение коленвала, а непосредственно сдвигались сами фазы. Принцип работы такой системы следующий:

• распределительный вал соединяется с гидравлической муфтой;
• также с этой муфтой имеет соединение и распредшестерня;
• на холостых и малых оборотах распредшестерня с распредвалом зафиксированы в стандартном положении, как была установлены по меткам;
• при увеличении оборотов под воздействием гидравлики муфта поворачивает распредвал относительно звездочки (распредшестерни), и фазы ГРМ смещаются – кулачки распредвала раньше открывают клапана.

Одна из первых подобных разработок (VANOS) была применена на моторах M50 компании BMW, первые двигатели с регулятором фаз газораспределения появились в 1992 году. Следует отметить, что сначала VANOS устанавливался только на впускном распредвалу (у моторов M50 двухвальная система ГРМ), a c 1996-го стала использоваться система Double VANOS, с помощью которой уже регулировалось положение выпускного и впускного р/валов.

Какое преимущество дает регулятор фаз ГРМ? На холостом ходу перекрытие фаз газораспределения практически не требуется, и оно в данном случае даже вредит двигателю, так как при сдвиге распредвалов выхлопные газы могут попасть во впускной коллектор, а часть топлива будет попадать в выхлопную систему, полностью не сгорая. Но когда движок работает на максимальной мощности, фазы должны быть максимально широкими, и чем выше обороты, тем больше необходимо перекрытие клапанов. Муфта изменения фаз ГРМ дает возможность эффективно наполнять цилиндры рабочей смесью, а значит, повысить КПД мотора, увеличить его мощность. В тоже время на холостом ходу р/валы с муфтой находятся в исходном состоянии, и сгорание смеси идет в полном объеме. Получается, что регулятор фаз повышает динамику и мощность ДВС, при этом достаточно экономично расходуется топливо.

Система изменения фаз газораспределения (СИФГ) обеспечивает более низкий расход топлива, снижает уровень CO в выхлопных газах, позволяет более эффективно использовать мощность ДВС. У разных мировых автопроизводителей разработана своя СИФГ, применяется не только изменение положения распредвалов, но и уровень поднятия клапанов в ГБЦ. Например, компания Nissan применяет систему CVTCS, которой управляет клапан регулировки фаз газораспределения (электромагнитный клапан). На холостых оборотах этот клапан открыт, и не создает давление, поэтому распредвалы находятся в исходном состоянии. Открывающийся клапан увеличивает давление в системе, и чем оно выше, тем на больший угол сдвигаются распредвалы.

Следует отметить, что СИФГ в основном используются на двигателях с двумя распределительными валами, где в цилиндрах устанавливается по 4 клапана – по 2 впускных и 2 выпускных.

Приспособления для установки фаз газораспределения

Чтобы двигатель работал без перебоев, важно правильно выставить фазы ГРМ, установить в нужном положении распределительные валы относительно коленвала. На всех движках валы выставляются по меткам, и от точности установки зависит очень многое. Если валы выставляются неправильно, возникают различные проблемы:

• мотор неустойчиво работает на холостых оборотах;
• ДВС не развивает мощности;
• происходят выстрелы в глушитель и хлопки во впускном коллекторе.

Если в метках ошибиться на несколько зубьев, не исключено, что могут согнуться клапана, и движок при этом не запустится.

На некоторых моделях силовых агрегатов разработаны специальные приспособления для установки фаз газораспределения. В частности, для двигателей семейства ЗМЗ-406/ 406/ 409 есть специальный шаблон, с помощью которого измеряются углы положения распредвалов. Шаблоном можно проверить существующие углы, и если они выставлены неправильно, валы следует переустановить. Приспособление для 406-х моторов представляет собой набор, состоящий из трех элементов:

• двух угломеров (для правого и левого вала, они разные);
• транспортира.

Когда коленчатый вал выставлен в ВМТ 1-го цилиндра, кулачки распредвалов должны выступать над верхней плоскостью ГБЦ под углом 19-20º с погрешностью ± 2,4°, причем, кулачок впускного валика должен быть чуть выше кулачка выпускного распредвала.

Также есть специальные приспособления для установления распредвалов на моторах BMW моделей M56/ M54/ M52. В комплект установки фаз газораспределения ДВС БВМ входит:

Неисправности системы изменения фаз газораспределения

Изменять фазы газораспределения можно различными способами, и последнее время наиболее распространен поворот р/валов, хотя нередко применяется метод изменения величины подъема клапанов, использование распределительных валов с кулачками измененного профиля. Периодически в газораспределительном механизме возникают различные неисправности, из-за которых мотор начинает работать с перебоями, «тупит», в некоторых случаях и вовсе не запускается. Причины возникновения неполадок могут быть разными:

• неисправен электромагнитный клапан;
• засорилась грязью муфта изменения фаз;
• вытянулась цепь газораспределительного механизма;
• неисправен натяжитель цепи.

Часто при возникающих неисправностях в этой системе:

• снижаются холостые обороты, в некоторых случаях ДВС глохнет;
• значительно увеличивается расход топлива;
• двигатель не развивает обороты, машина порой не разгоняется даже до 100 км/ч;
• мотор плохо запускается, его приходится гонять стартером несколько раз;
• слышен стрекот, идущий из муфты СИФГ.

По всем признакам основная причина проблем с двигателем – выход из строя клапана СИФГ, обычно при этом компьютерная диагностика выявляет ошибку этого устройства. Следует отметить, что лампа диагностики Check Engine загорается при этом не всегда, поэтому трудно понять, что сбои происходят именно в электронике.

Часто проблемы ГРМ возникают из-за засорения гидравлики – плохое масло с частицами абразива забивает каналы в муфте, и механизм заклинивает в одном из положений. Если муфту «клинит» в исходном положении, ДВС спокойно работает на ХХ, но совсем не развивает оборотов. В случае, когда механизм остается в положении максимального перекрытия клапанов, движок может плохо запускаться.

К сожалению, на двигатели российского производства СИФГ не устанавливается, но многие автомобилисты занимаются тюнингом ДВС, стараясь улучшить характеристики силового агрегата. Классический вариант модернизации мотора – это установка «спортивного» распредвала, у которого смещены кулачки, изменен их профиль.

У такого р/вала есть свои преимущества:

• мотор становится приемистым, четко реагирует на нажатие педали газа;
• улучшаются динамические характеристики автомобиля, машина буквально рвет из-под себя.

Но в таком тюнинге есть и свои минусы:

• холостые обороты становится неустойчивыми, приходится их выставлять в пределах 1100-1200 об/мин;
• увеличивается расход топлива;
• достаточно сложно отрегулировать клапана, ДВС требует тщательной настройки.

Достаточно часто тюнингу подвергаются вазовские двигатели моделей 21213, 21214, 2106. Проблема движков ВАЗ с цепным приводом – появление «дизельного» шума, и часто он возникает из-за вышедшего из строя натяжителя. Модернизация ДВС ВАЗ заключается в установке автоматического натяжителя вместо штатного заводского.

Нередко на модели двигателей ВАЗ-2101-07 и 21213-21214 устанавливают однорядную цепь: мотор с ней работает тише, к тому же цепочка меньше изнашивается – ее ресурс составляет в среднем 150 тыс. км.

Фазы газораспределения

Расположение каналов и фазы газораспределения двигателя

Возвратно-поступательное движение (вверх и вниз) поршня двигателя позволяет ему действовать в качестве воздушного компрессора. Изначально, воздушно-топливная смесь движется в картер под поршнем, и затем перемещается в цилиндр (выше поршня), где она сжимается и воспламеняется. Как только газы сгорают, температура и давление стремительно поднимаются. Это давление движет поршень в нижнюю сторону его хода, где выхлопные газы, в конечном счете, вычищаются. Звучит просто, но очень важными являются очень точная конструкция каналов - форма, размер, положение и временные фазы - если вы хотите добиться значительной производительности двигателя.

Перепускные каналы проводят свежую воздушно-топливную смесь в цилиндр перед сгоранием, пока выхлопные газы вычищаются через выхлопное отверстие.

ОСНОВЫ

Если вы достаточно любопытны для того, чтобы разобрать ваш двигатель, вы вероятно видели отверстия в гильзе и коленчатом вале. Эти отверстия известны, как каналы или отверстия, и в двухтактном двигателе они имеют 3 функции:

1. Впуск - позволяет свежей воздушно-топливной смеси поступать в картер ниже поршня.

2. Перепуск - перемещение воздушно-топливной смеси из картера в цилиндр выше поршня.

3. Выхлоп - здесь отработанные газы выходят из двигателя после сгорания.

Отверстия открываются и закрываются движением поршня и коленчатого вала, и в противоположность двигателям с механическими клапанами, для своего функционирования они не требуют дополнительной энергии от двигателя.

Отверстия, которые вы видите, являются необходимыми для правильной работы двухтактного двигателя.

ТИПЫ КАНАЛОВ

ВПУСКНОЕ ОТВЕРСТИЕ. Автомодельные двигатели используют систему впуска на базе поворотного золотника коленчатого вала. Как он работает: канал, изготовленный в шейке вала, выравнивается с отверстием для впуска воздуха в корпусе двигателя (под карбюратором) при каждом обороте вала. Воздушно-топливная смесь проходит через открытое отверстие в поверхности шейки коленчатого вала и затем через канал в центре коленчатого вала и, наконец, в картер двигателя.

Впускное отверстие в коленчатом вале "отмеряет" сколько воздуха и топлива поступает в двигатель. Воздушно-топливная смесь затем поступает в картер через канал в центре коленчатого вала.

ПЕРЕПУСКНЫЕ ОТВЕРСТИЯ. Эти отверстия изготовлены в стенке цилиндра и поочередно закрываются и открываются поршнем. Воздушно-топливная смесь из картера (ниже поршня) движется через обходные каналы снаружи цилиндра к перепускным отверстиям.

Двухтактные автомодельные двигатели используют множество комбинаций перепускных отверстий. Может существовать от двух до 10-11 перепускных отверстий различной формы и размеров - плюс выхлопное отверстие или отверстия (да, может быть даже несколько выхлопных отверстий).

РАСПОЛОЖЕНИЕ КАНАЛОВ ШНУРЛЕ: В двухтактных двигателях используется множество конфигураций перепускных и выхлопных каналов, но автомодельные двигатели используют основную конфигурацию, известную как расположение каналов Шнурле, так что мы будем обсуждать только этот вариант.

В системе Шнурле, два перепускных отверстия направлены вверх и в сторону от единственного выхлопного отверстия, которое находится между ними. Свежая топливная смесь намеренно направляется в самую удаленную от выхлопного отверстия точку. В этой точке, свежая смесь делает петлю в сторону головки цилиндра и выталкивает выхлопные газы через выхлопное отверстие.

Отверстия Шнурле направляют воздушно-топливную смесь в сторону от выхлопного отверстия.

БУСТ ОТВЕРСТИЕ: Буст отверстие является важным улучшением в основном расположении каналов Шнурле. Оно расположено напротив выхлопного отверстия и легко отличимо от остальных отверстий цилиндра по его острому углу вверх. Буст отверстие не только создает другой путь, по которому воздушно-топливная смесь может поступать в цилиндр, но также делает это под углом, который направляет смесь в сторону свечи накаливания, находящейся вверху цилиндра. Это способствует лучшему наполнению цилиндра и улучшает продувку выхлопных газов.

Буст отверстие противоположно выхлопному отверстию. Его острый угол вверх помогает направить свежую воздушно-топливную смесь в сторону свечи накаливания вверху цилиндра.

МНОГО - НЕ ВСЕГДА ХОРОШО: Большее значение, чем количество каналов, имеют фазы газораспределения (т.е., когда отверстия открываются и закрываются), длительность (как долго они остаются открытыми) и площадь (размер отверстий), так что не впечатляйтесь количеством каналов, объявленных для данного двигателя. Правильно сконструированный двигатель с 3-мя каналами может быть более мощным, чем хуже спроектированный 7-ми канальный двигатель.

Правильно разработанные каналы помогают направить течение воздушно-топливной смеси и выхлопных газов. Большее количество каналов иногда равняется большей мощности, но не всегда.

ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Фазы газораспределения указывают на точки в цикле двигателя, в которых отверстия открываются и закрываются. Эти точки обычно отмеряются от ВМТ (TDC) (верхняя мертвая точка) или НМТ (BDC) (нижняя мертвая точка), от той, к которой поршень находится ближе.

В дополнение к открытию и закрытию отверстий, фазы газораспределения показывают нам, как долго отверстие остается открытым (длительность). Это важно при определении рабочей скорости двигателя, высокоскоростные двигатели дольше перемещают газы, чем низкоскоростные двигатели.

Большинство экспертов измеряют открытие и закрытие отверстий в градусах вращения коленчатого вала. Некоторые разработчики и инженеры используют систему, которая измеряет открытие и закрытие отверстий в процентах от хода поршня от ВМТ (TDC). Хотя есть технические преимущества в использовании последней системы, первая является наиболее используемой.

Для измерения событий фаз газораспределения к коленчатому валу присоединяется угломерное колесо. Неподвижный указатель выравнивается с угломерным колесом и точно согласуется с положением поршня в ВМТ (TDC), обеспечивая измерение фаз впуска, перепуска и выхлопа.

Все, что вам нужно для начала измерения фаз газораспределения вашего двигателя - это угломерное колесо, указатель и прочное крепление двигателя. Этот метод используется всеми конструкторами двигателей для составления карты фаз газораспределения и определения мест возможных улучшений.

КАНАЛЫ И ПРОДУВКА

В терминологии двигателя, "продувка" означает очистку объема - другими словами очистка цилиндра от выхлопных газов и движение свежей воздушно-топливной смеси из картера в цилиндр. Для разработчика двигателей, очистка цилиндра от выхлопных газов является только половиной проблемы, одновременная замена этих газов на свежую воздушно-топливную смесь, является другой проблемой.

Во время работы двигателя часть свежей смеси, переданной в цилиндр, смешивается с продуваемыми выхлопными газами и снижает эффективность и мощность двигателя. В течение многих лет было испробовано много канальных систем для минимизации этого смешивания и загрязнения, конструкция была улучшена, но это явление продолжает влиять на производительность двухтактных двигателей. Размер, положение и направление этих отверстий определяет, насколько успешной будет продувка, и насколько хорошо будет работать двигатель.

Воздушно-топливная смесь вытекает из перепускного отверстия слева, заполняет цилиндр для следующего цикла сгорания и помогает "продувать" выхлопные газы через выхлопное отверстие справа.

ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

В двухтактном двигателе одновременно происходит несколько событий. Они перекрываются и влияют друг на друга, и их эффект трудно отследить просто просматривая числа фаз газораспределения. Диаграмма фаз газораспределения делает эти числа более понятными.

На примере диаграммы, выхлопное отверстие открывается при 80 градусах Перед НМТ (BBDC). Это также 100 градусов После ВМТ (ATDC). Поскольку выхлопное отверстие открывается ближе к НМТ, фаза отмеряется от этого положения. Общее время открытия (длительность) любого канала определяется прибавлением индивидуальных вращений.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Двигатель Mungen MT12, использованный для привода Yokomo GT-4R, показал ровную мощность, несмотря на то, что он имел очень значительный прирост в пиковой мощности. Это было достигнуто путем оптимизации эффективности фаз газораспределения для гонок.

Я недавно разговаривал с известным экспертом по модификации двигателей Деннисом Ричи из Техаса. Деннис модифицировал каждый год сотни двигателей для катеров и автомобилей своих покупателей, фактически, он модифицировал двигатель Mugen MT12 Стива Понда для Yokomo GT-4R, и он работал очень хорошо. Он любезно выделил свое время для дискуссии о каналах, фазах газораспределения и модификации каналов.

Деннис Ричи видит значительную разницу в философии фаз газораспределения между дорогими двигателями объема.12 и.15 и двигателями объема.21. Согласно Денису, маленькие двигатели имеют гораздо более консервативные фазы газораспределения.

Здесь приведен типичный пример:

• ВПУСК - открывается при 40 градусах После НМТ, закрывается при 48 градусах После ВМТ, длительность 188 градусов.
• ВЫХЛОП - открывается при 78 градусах Перед НМТ, закрывается при 78 градусах После НМТ, длительность 156 градусов.
• ПЕРЕПУСК - открывается при 60 градусах Перед НМТ, закрывается при 60 градусах После НМТ, длительность 120 градусов.

Он сказал, "Хотя длительность выхлопа и перепуска является до некоторой степени низкой, наибольшее увеличение в производительности высоких оборотов получается за счет увеличения длительности впуска." Согласно моим вычислениям, если открытие впускного отверстия остается неизменным и закрытие продвигается к примерно 65 градусам После ВМТ (ATDC), то длительность впуска расширяется до 205 градусов - 9% увеличения. Наилучшие двигатели объема.21 (3,44 куб. см) всегда имеют продвинутые фазы газораспределения.

Здесь приведены некоторые типовые длительности для продвинутых двигателей объема.21 куб. дюйм (3,44 куб. см):
- впуск 210 градусов;
- выхлоп 180 градусов;
- перепуск 126 градусов.

Деннис сказал, что эти двигатели "благополучно" используют топливо с 30% нитрометана и после модификаций их пиковая мощность находится между 33 000 и 34 000 оборотов.

Перепускное и выхлопное отверстия позволяют сжатому газу выходить сверху и снизу поршня во время циклов двигателя. Наличие достаточного времени (длительности фазы) для этого, это только половина истории. Наличие достаточно большого отверстия (площадь отверстия), это вторая половина. Скажем по-другому: время, требуемое для перемещения некоторого количества газа через отверстие, зависит от площади отверстия.

Аналогия может быть полезной: 50 человек имеют 30 секунд, чтобы покинуть помещение после сигнала пожарной тревоги. Если дверь открыта полностью, они легко выйдут из помещения в пределах отведенного времени. Если дверь неисправна и открыта только частично, люди по-прежнему могут выйти, но в дверях происходит давка, которая позволит максимум 35 человекам покинуть помещение в назначенное время. Арифметика показывает, что частично открытая дверь позволит выйти в назначенное время только 70% людей. Сходная ситуация существует для газов, пытающихся пройти через перепускное и выхлопное отверстия. Если течение слишком ограничено, отверстие может быть расширено для увеличения его площади, или оно может быть сделано выше для увеличения и его площади, и длительности фазы. Каждое из решение имеет различный эффект. Принятие решения, что из этого будет лучше, является предметом длительного изучения и опыта.

Целью большинства модификаторов двигателей является увеличение мощности. Самый простой способ сделать это, это добиться более быстрой работы двигателя. Когда максимальные обороты увеличиваются, каналы остаются открытыми на более короткое время. Основываясь на опыте с конкретным двигателем, модификатор расширяет отверстие или увеличивает его высоту - или комбинирует оба изменения. Эта практика известна как "портирование" (модификация каналов или отверстий).

Формы, размеры и положения отверстий весьма критичны для производительности двигателя, и вы не можете сделать одно изменение без влияния на производительность двигателя где-то в другом месте. Это всегда компромисс.

Фазы газораспределения четырехтактных двигателей.
Дайджест от Михаила Сорокина (aka Sharoka)

Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно НМТ на угол Фо.в ~30 –75 град. И закрывается после ВМТ с запаздыванием на угол Фз.в, когда поршень движется в такте наполнения к НМТ. Начало открытия и закрытие впускного клапана также сдвинуты относительно мертвых точек: открытие начинается до ВМТ с опережением на угол Фо.вп, а закрытие происходит после НМТ с запаздыванием на угол Фз.вп в начале такта сжатия. Большая часть процессов выпуска и наполнения протекает раздельно, но около ВМТ впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Продолжительность перекрытия клапанов невелика у поршневых двигателей. Общая продолжительность газообмена составляет 400 –520 град. , у высокооборотных двигателей она больше.

Периоды газообмена.

Периоды газообмена различают, руководствуясь величиной направления и скорости во впускных или выпускных клапанах и направлением движения поршня.

Свободный выпуск. От начала открытия выпускного клапана до НМТ продолжается свободный выпуск. Истечение газов из цилиндра при увеличении его объема происходит следствии того, что давление в начале выпуска и вплоть до НМТ выше, чем в выпускном патрубке. Температура газов в цилиндре в начале такта выпуска 1300 –700 град. Скорость истечения газов 720 –550 м/сек. В НМТ температура и скорость понижаются до значений, характерных для принудительного выпуска.

Принудительный выпуск. Продолжается от НМТ до ВМТ.
Средняя скорость в клапанной щели 80 –250 м/с. Давление в цилиндре в начале открытия впускного клапана выше давления во впускном трубопроводе, продукты сгорания вытекают одновременно через выпускной клапан и открывающийся впускной клапан, происходит так называемый заброс продуктов сгорания во впускной трубопровод. Заброс продолжается и после ВМТ. Поэтому наполнение начинается с запаздыванием.

Наполнение. От ВМТ до НМТ происходит наполнение. Скорость в клапанной щели 80 –200 м/с.

Дозарядка. Поле НМТ – при перемещении поршня в направлении ВМТ в такте сжатия – давление в цилиндре остается некоторое время меньше давления перед впускным клапаном, несмотря на уменьшение объема цилиндра

Процессы воспламенения и горения

Окислительные процессы являются процессами перемещения электронов с орбит атомов или ионов окисляющегося вещества на орбиты атомов или ионов окислителя. Для такого перемещения электронов необходима энергия, которая подводится к молекулам в начале реакции в виде кинетической энергии при соударениях. Число соударений и их энергия зависят от концентрации реагентов в смеси и температуры и могут быть определены для гомогенных и гетерогенных смесей из законов молекулярной физики.

Развитию теории окисления углеводородов положила начало перекисная теория окисления, предложенная А. Н. Бахом в 1897 г. по которой окисление происходит через промежуточные образования перекисей, обладающих большей окислительной способностью, чем молекулярный кислород.

Предложенная в 1903 г. гидроскиляционная теория была заметным началом в познании последовательности промежуточных реакций. Согласно этой теории, на некоторой стадии происходит распад молекул кислорода на атомы и внедрение последних между атомами углерода и водорода углеводородов с образованием молекул, содержащих группу ОН и ускоряющих окислительные процессы.

Н. Н. Семеновым в 1927 г. была высказана идея о возможности цепных реакций (существование которых было обнаружено В. Нернстом в 1919 г.) при окислении углеводородов. Эта идея была развита впоследствии в стройную теорию цепных окислительных процессов, объясняющую процессы воспламенения и сгорания топлив и объединившую в себе перекисную и гндроксиляцнонную теории.

Согласно этой теории, окисление идет через последовательность промежуточных реакций образования промежуточных продуктов, осуществляющих переход реагирующей системы от исходного состояния к конечным продуктам. Такими промежуточными продуктами могут быть перекиси, молекулы и их «осколки» с группой ОН, атомы водорода и кислорода, свободные радикалы ОН, СН, СН2 . Наиболее химически активные из них (атомы, радикалы) играют очень важную роль активных центров реакций: появление одного из них может повлечь за собой лавинообразную массу превращений в реагирующей системе, в которых участвуют конечные продукты окисления и менее активные насыщенные молекулы углеводородокислородных соединений (альдегиды, спирты, аминокислоты), способствующие образованию все новых активных центров.

В зависимости от условий в зоне реакции может развиваться неразветвленная или разветвленная цепная реакция . В первом случае вместо одного активного центра образуется один новый, и реакция идет до тех пор, пока не израсходуются реагенты или реакция не оборвется в результате местных неблагоприятных условии (мало число соударений активных частиц промежуточных продуктов из-за малой концентрации реагентов или пониженной температуры, замедляющее каталитическое действие некоторых реагентов, стенок камеры сгорания).

Во втором случае в результате реакции в одном активном центре могут образоваться два или больше новых активных центров; как следствие, реакция окисления саморазгоняется, несмотря на то, что концентрации реагентов уже начали убывать. Процесс ускоряется, так как возрастают энергия соударений и в результате дробления молекул – число центров реакций. При разветвленной цепной реакции скорость сгорания могла бы быстро увеличиться до бесконечности. Однако этого не происходит, так как часть ответвлений в реакции обрывается (главным образом около стенок камеры сгорания), а число частиц, вступающих в реакцию, уменьшается по мере расходования смеси. Достигнув максимальной величины, скорость реакции начнет уменьшаться.

После того как в реакцию вступит достаточно много молекул, отвод теплоты от заряда в стенки и на испарение топлива будет компенсироваться выделяющейся теплотой окисления (момент теплового равновесия) и в камере установится так называемая критическая температура Гкр, или температура воспламенения смеси, по достижении которой начинается быстрое общее повышение температуры и давления. Момент теплового равновесия можно заметить, если индикатором давления записать сначала изменение давления в камере без впрыска топлива, а затем при впрыске.

При записи давлений достаточно чувствительным датчиком можно заметить, что после точки, в которой начался впрыск топлива, линия давлений сначала пойдет ниже линии сжатия без впрыска топлива, а затем в точке 2 пересечет линию сжатия и быстро начнет подниматься. Отставание линии давления в начале впрыска объясняется затратой теплоты на прогрев и испарение капель впрыснутого топлива; если датчик давлений не очень чувствителен, то разность давлений в камере при впрыске топлива и без него можно не заметить, так как они сольются в одну линию. Однако в некоторый момент времени соответствующий точке 2 . линии разойдутся. Можно, следовательно, отметить существование скрытого периода окислительных процессов между точками 1 и 2 , когда сгорание как бы отсутствует или запаздывает по сравнению с подачей топлива. Этот период называют периодом индукции или периодом задержки воспламенения топлива и обозначают Тi (в секундах) или Фi (в градусах).

Измеренный по индикаторной диаграмме угол Фi будет зависеть от чувствительности датчика давлений: чем он чувствительнее и чем точнее записывающая часть индикатора зафиксирует сигнал датчика, тем меньше окажется угол Фi и тем точнее он будет определен. Ясно, что угол Фi зависит от физико-химических свойств топлива и условий paзвития окислительных процессов в камере. Более глубокое изучение процессов в период самовоспламенения топлива с использованием химических, оптических и ионных методов позволило установить, что в цепочно-тепловой теории воспламенения при различных условиях могут преобладать цепочные или тепловые процессы, вследствие чего А. С. Соколиком были выдвинуты гипотезы низкотемпературного многостадийного к высокотемпературного одностадийного воспламенения.

Согласно теории низкотемпературного воспламенения сначала в камере развиваются предпламенные окислительные процессы с образованием промежуточных продуктов в достаточно большом объеме смеси. Теплоты при этом выделяется недостаточно для резкого ускорения реакций окисления; кроме того, превращения идут в многостадийном процессе с накоплением в результате местного недостатка кислорода сначала спиртов, альдегидов (формальдегид НСНО, акролеин СН2 СНСНО, ацеталь-альдегид или уксусный альдегид СНзСНО), окиси углерода, а затем перекисей и радикалов. В результате таких процессов в камере сгорания возникает так называемое холодное пламя ‑голубое свечение, являющееся результатом оптического возбуждения молекул формальдегида и радикала НСО. В этот период времени TI (рис. 54 , кривая 1 ) давление в камере не увеличивается или даже снижается; температура, при которой начинается и заканчивается свечение, составляет 440 –670 К, практически не изменяясь.

Во втором периоде т3 идет процесс окисления альдегидов н образование перекисей нового типа, химически более активных; становится заметным увеличение давления на дельта Р холл плам в результате повышения температуры холодного пламени (от нескольких десятков до сотен градусов) .

В дальнейшем появляется вторичное, более интенсивное свечение; накопление активных перекисей, радикалов и атомов приводит к тепловому местному взрыву в конце периода тiи образованию очага сгорания. Такие процессы в период задержки самовоспламенения топлива с характерным преобладанием в них цепных многостадийных химических превращений имеют место при относительно низких температурах и мало зависят от температуры; при этом период TI с повышением температуры сокращается и мало зависит от давления, а период Т2 , наоборот, увеличивается с повышением температуры и уменьшается с возрастанием давления.

Низкотемпературное многостадийное воспламенение свойственно для парафинов и нафтенов и имеет место в дизелях, при этом, чем выше цетановое число топлива, тем короче период т,. Таких очагов может образоваться в камере и даже в одном факеле несколько в точках где создаются наиболее благоприятные для этого условия сочетание температуры, давления и меняющегося в процессе образования очага сгорания состава смеси (от а«0 ,1 в начале до а=1 в конце), обычно под поверхностью факела, на некотором удалении от сопла форсунки в зоне повышенных температур (со стороны выпускных каналов, над нагретыми поверхностями).

Длительность та и число образующихся очагов сгорания, как показывают эксперименты, мало зависят от тонкости распыливания топлива, так как даже при очень грубом распыливании оказывается достаточное для воспламенения количество мелких капель. Увеличение угла опережения впрыска топлива удлиняет период задержки воспламенения для всех сортов топлива, так как процессы прогрева, испарения топлива и разгона химических реакций начинаются при более низких температурах; интенсификация турбулентности увеличивает период Тi вследствие снижения температуры и концентрации паров топлива в вероятной точке образования очага сгорания.

Высокотемпературное воспламенение (кривая 2 ) имеет место при высоких начальных температурах (800 - 1200 К) и представляет собой непрерывный процесс цепных химических самоускоряющихся в результате выделения теплоты превращений. Мощный тепловой толчок, вызывающий ускорение процессов, приводящих к образованию очага сгорания, можно осуществить электрическим разрядом между электродами свечи зажигания при напряжении (8 –15 )103 В. При высоких температурах в канале или шнуре разряда (Т более 10000 ) образуется очаг сгорания небольшого объема. Это означает, что в данном объеме процессы прогрева, распада, ионизации молекул топлива и кислорода и воспламенение происходят столь быстро (через состояние плазмы), что укладываются в период разряда, длительность которого не превышает (1 –2 ) 10 ~5 с. Естественно предположить, что это возможно в гомогенной, достаточно однородной смеси.

Если объем образовавшегося очага сгорания достаточно велик, а времени его существования достаточно для прогрева и воспламенения окружающих слоев смеси, то процесс сгорания начинает распространяться, и через некоторое время т; (период задержки воспламенения) на индикаторной диаграмме давлений можно будет заметить отрыв линии давления в процессе начавшегося его рания от линии давления сжатия, которую можно эд-писать при выключенном зажигании. Если же объем очага сгорания и длительность его поддержки разрядом оказались недостаточными, то очаг затухает к сгорание не развивается.

Опытами установлено, что период задержки воспламенения зависит от сорта топлива, состава смеси, темпера туры и давления смеси в конце сжатия, я также от мощности электрического разряда. Чем ниже температура воспламенения топлива и его термическая стабильность тем короче период задержки воспламенения; период задержки сокращается с обогащением смеси (до а=0 ,4 –0 ,6 и ниже), повышение температуры и давления смеси снижает Тi, повышение мощности разряда снижает Тi тем сильнее, чем неблагоприятнее другие условия самовоспламенения.

Высокотемпературное воспламенение характерно для всех двигателей с электрическим зажиганием, а также для дизелей при использовании топлива с большим содержанием ароматиков.

В двигателях с электрическим зажиганием образование очага сгорания в результате действия искры сопровождается насыщением его объема продуктами сгорания и образованием слоя – раздела между негорящей смесью и образовавшимися продуктами сгорания. В этот слой со стороны смеси в результате диффузии поступают молекулы топлива и окислителя, а со стороны очага сгорания – продукты сгорания и теплота. Образуется так называемый ламинарный фронт пламени (рис. 55 , а ) толщиной 6 в несколько десятых миллиметра и площадью в несколько квадратных миллиметров. Температура в этом слое резко изменяется от Тсм до Гвс. что способствует ускорению диффузионных процессов н образованию зоны прогрева толщиной бп и,зоны химических реакций толщиной б», в которой концентрации молекул топлива Ст и кислорода Со, постепенно уменьшаются. Пламя начинает перемещаться в сторону горючей смеси перпендикулярно к поверхности фронта с так называемой нормальной скоростью Uи.

Опытами в бомбах установлено, что распространение сгорания по объему возможно только при определенных составах горючих смесей, ограниченных как минимальными, так и максимальными значениями а, различными для разных условий сгорания (температура, давление, количество инертных газов), В табл. 7 даны концентрационные пределы распространения пламени в воздушных смесях топлив при атмосферных условиях во время испытаний в бомбе.

Нормальные скорости Uи находятся в большой зависимости от состава смесей (рис.56 ) и имеют максимальные значения в смесях с воздухом при а от0 ,5 (для оки си углерода) до 1 ,1 (для метана). Для бензино и спиртовоздушных смесей Uи имеет место при а=0 ,85 –0 ,95 При повышенных температурах и давлениях концентрационные пределы горючести расширяются, а скорости Uи повышаются, с увеличением остаточных газов в смеси концентрационные пределы сужаются, а скорости Uи уменьшаются.

Ускорению распространения сгорания по объему камеры способствуют возникающие мелкомасштабные пульсации, масштаб которых не превышает толщины 6 , (мелкомасштабная или микротурбулентность), и крупномасштабные пульсации – макротурбулентность, возникновение которой связано с вихреобразованием во время наполнения и сжатия.

Микротурбулентность способствует увеличению Uи в результате интенсификации диффузии и замены кондуктивной теплопроводности в зоне прогрева турбулентной; макротурбулентность искривляет фронт пламени по мере его развития, а затем и разрывает его (см. рис. 55 , б ). Поверхность и толщина фронта увеличиваются (последняя до 25 мм); объемы реагирующих компонентов внедряются в зоны прогрева и в негорящую смесь, которая вследствие нагрева поджимается. В результате скорость перемещения фронта пламени в сторону смеси повышается до 15 –80 м/с; ее называют турбулентной скоростью Uт. Количество смеси, сгорающей в единицу времени, возрастает. В результате увеличения скорости тепловыделения возрастают скорости повышения температуры и давления в цилиндре двигателя (см. рис. 53 ).

После того как пламя распространится по всему объему камеры сгорания, количество смеси, вступающей в реакцию, уменьшается. Снижается и скорость реакций, так как концентрации топлива и окислителя в зонах сгорания уменьшаются, а концентрация продуктов сгорания увеличивается. Вместе с возрастающим отводом теплоты в стенки камеры сгорания и объемом цилиндра с началом перемещения поршня от в. м. т. это приводит к тому, что давление, достигнув максимального значения при положении поршня, соответствующем углу Фi начинает снижаться.

Надежно записанных диаграмм изменения температур в процессе сгорания еще недостаточно для количественной характеристики процессов сгорания и обобщений. Однако установлено, что температуры, полученные из уравнении состояния газов в различные моменты сгорания и расширения при использовании давлений из индикаторных диаграмм н известных конструктивных объемов камеры сгорании н цилиндра, также возрастают в процессе сгорании и достигают максимальных значений в момент Фi (см. рис. 53 ), позднее момента достижения максимальных давлений. Последнее обстоятельство объясняется совместным влиянием увеличения объема газа вследствие перемещения поршня от ВМТ и продолжающимся подводом теплоты к газу.

При некоторых условиях описанный нормальный процесс сгорания может нарушаться, что отражается на мощности и экономичности работы двигателя, шумности, токсичности отработавших газов, надежности и сроке работы двигателя. К таким нарушениям сгорания относят следующие.

1 . Пропуски вспышек в цилиндрах, появляющихся в результате переобеднения смеси, пропусков в искрообразовании или в результате малой мощности искры; двигатель при этом не запускается или не развивает мощности.

2 . Вспышки во впускной системе; могут иметь место в результате малой скорости сгорания в цилиндрах, главным образом из-за переобеднения смеси или позднего зажигания; смесь в этих случаях продолжает гореть даже в такте выпуска и при значительном перекрытии фаз действия выпускных и впускных клапанов может зажечь смесь во впускной системе, что воспринимается как хлопок в карбюраторе.

3 . Преждевременное, до появления искр, самовоспламенение смеси в цилиндрах, которое возможно при местном перегреве поверхностей камеры сгорания (выпускные клапаны, свечи зажигания, отдельные участки головки цилиндра или поршня) или перегрева нагара на этих поверхностях (калильное зажигание); снижение мощности двигателя из-за чрезмерного противодавления в конце хода поршня к ВМТ, его перегрев, неясно выраженные на общем шумовом фоне глухие стуки, возникающие вследствие больших скоростей повышения давления и увеличения их максимальных значений, – признаки калильного зажигания.

4 . Детонация – сложный химико-тепловой процесс, развивающийся в горючей смеси при особых условиях; внешними признаками детонации являются появление звонких металлических звуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигателя, выброс из выпускной системы черного дыма; в темноте замечается зеленоватая окраска пламени, выбрасываемого из коротких выпускных патрубков двигателей, имеющих поршни из легких сплавов; на индикаторной диаграмме, записанной при детонации, в зоне максимальных давлений отмечается их резкое колебание в виде острых пиков.

Возникновению детонации и ее интенсификации способствуют нестойкие в отношении детонации топлива с малыми октановыми числами; обогащенные (а = 0 .9 ) составы смеси; высокая степень сжатия; большие нагрузки на двигатель; снижение частоты вращения вала двигателя; чрезмерно большой угол опережения зажигания; высокие температуры и давление на впуске в двигатель; перегрев камеры сгорания; увеличение размеров цилиндров.

Детонационное сгорание возникает в наиболее удаленном от свечи зажигания месте, расположенном около горячих стенок. Смесь до прихода фронта пламени нормального сгорания успевает в таких местах сильно перегреться и подвергается интенсивному сжатию при распространении фронта пламени, что способствует быстрому развитию в ней предпламенных реакций с образованием и накоплением химически активных промежуточных продуктов (радикалы, перекиси, атомы водорода и кислорода). В результате таких процессов возникает, самовоспламенение смеси с самоускоряющимися процессами. Сгорание приобретает взрывной характер с резким местным повышением температуры и образованием ударной волны давления; скорость ее перемещения в камере может дойти до 1000 –2300 м/с. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения, приводящие к развитию диссоциации с образованием окиси углерода, атомарных углерода, водорода, кислорода и поглощением большого количества теплоты. Продукты диссоциации и несгоревшая часть топлива догорают в процессе расширения неполностью и с меньшей эффективностью, мощность и экономичность снижаются, а перегрев двигателя и дымление на выпуске увеличиваются тем сильнее, чем в большем объеме смеси развивается детонация. Ударные волны, действуя локально и кратковременно, не повышают работу газов, но резко увеличивают теплоотдачу в стенки, механические и тепловые ударные нагрузки на детали, газовую коррозию поверхностей, особенно днищ поршней. Длительная работа двигателей с детонацией недопустима.

5 . Вспышки в выпускной системе, сопровождаемые звуками, похожими на выстрелы; такие вспышки являются следствием воспламенения накопившейся там горючей смеси при пропусках вспышек в цилиндрах или сажи, срываемой с нагретых стенок при внезапном нагружении двигателя. В дизелях после образования в камере сгорания очагов сгорания вокруг них формируется фронт пламени; выделение теплоты и расширение продуктов сгорания приводит к образованию тепловой волны и поджатию смеси. Это ускоряет предпламенные реакции и образование новых очагов сгорания. Поддержание сгорания в очагах и образование новых очагов в неоднородной смеси начинает лимитироваться не скоростью химических реакций окисления, а скоростью образования смеси горючих составов. Поэтому при температурах выше 1000 К факторами, определяющими скорость выгорания топлива, становится диффузионные процессы и вихревые движении заряда.

Если за время задержки воспламенения впрыснуто много топлива, то возникает и большее число очагов. В результате этого резко ускоряются химические реакции и образование новой смеси; скорости тепловыделения и нарастания давлений могут оказаться слишком большими, а сгорание будет характеризоваться как «жесткое».

Снижение температуры и давления заряда в конце сжатия может быть следствием засорения воздушного фильтра, закоксовывания клапанов и щелей газораспределительных органов, потери плотности клапанов и поршневых колец, изменения фаз газораспределения, попадания масла в воздух.

Отрезки времени от начала момента открытия клапанов двигателя до их полного закрытия относительно мертвых точек движения поршня получили наименование фазы газораспределения. Их влияние на работу двигателя очень велико. Так, от продолжительности фаз зависит эффективность заполнения и очистки цилиндров в процессе работы мотора. Это напрямую определяет экономичность расхода топлива, мощность и крутящий момент.

Сущность и роль фаз газораспределения

На данный момент существуют двигатели, в которых фазы не могут изменяться принудительно, и двигатели, оснащенные механизмами (например, CVVT). Для первого типа двигателей фазы подбираются эксперементально при конструировании и расчете силового агрегата.

Нерегулируемые и регулируемые фазы газораспределения

Визуально все они отображаются на специальных диаграммах фаз газораспределения. Верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ соответственно) представляют собой крайние позиции поршня, движущегося в цилиндре, которые соответствуют наибольшему и наименьшему расстоянию между произвольной точкой поршня и осью вращения коленвала мотора. Точки начала открытия и закрытия клапанов (длина фазы) показываются в градусах и рассматриваются относительно вращения коленчатого вала.

Управление фазами осуществляется при помощи (ГРМ), который состоит из следующих элементов:

• кулачковый распредвал (один или два);
• цепной или ременной привод от коленвала к распредвалу.

Всегда состоит из тактов, каждому из которых соответствует определенное положение клапанов на впуске и выпуске. Таким образом, начало и конец фазы зависят от угла положения коленвала, который связан с распределительным валом, управляющим положением клапанов.

За один оборот распредвала коленчатый вал выполняет два оборота и его суммарный угол поворота за рабочий цикл равен 720°.

Работу фаз газораспределения для четырехтактного двигателя рассмотрим на следующем примере (см. картинку):

1. Впуск . На этом этапе поршень движется от ВМТ к НМТ, а коленвал поворачивается на 180º. Осуществляется закрытие выпускного клапана и последующее открытие впускного. Последние происходит с опережением на 12º.
2. Сжатие . Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, а коленвал совершает еще один поворот на 180º (360º от начального положения). Выпускной клапан остается в закрытом положении, а впускной остается открытым, пока коленвал не повернется на 40º.
3. Рабочий ход . Поршень идет от ВМТ к НМТ под действием силы воспламенения топливовоздушной смеси. Впускной клапан находится в закрытом положении, а выпускной открывается с опережением, когда коленвал еще не дошел 42º до НМТ. На этом такте полный поворот коленвала составляет также 180º (540º от начального положения).
4. Выпуск . Поршень идет от НМТ к ВМТ и при этом выталкивает отработавшие газы. В этот момент впускной клапан закрыт (откроется за 12º до ВМТ), а выпускной остается в открытом положении и после достижения коленвалом ВМТ еще на 10º. Общая величина поворота коленвала на этом такте также 180º (720º от начальной точки).

Фазы грм также зависят от профиля и позиции кулачков распредвала. Так, если они одинаковы на впуске и выпуске, то длительность открытия клапанов также будет одинакова.

Почему выполняется запаздывание и опережение срабатывания клапанов?

Чтобы улучшить наполнение цилиндров, а также обеспечить более интенсивную очистку от отработавших газов, срабатывание клапанов происходит не в момент достижения поршня мертвых точек, а с небольшим опережением или запаздыванием. Так, открытие впускного клапана выполняется до момента прохождения поршнем ВМТ (от 5° до 30°). Это позволяет обеспечить более интенсивное нагнетание свежего заряда в камеру сгорания. В свою очередь, закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием (после того как поршень достиг нижней мертвой точки), что позволяет продолжить наполнение цилиндра горючим за счет сил инерции, так называемый инерционный наддув.

Выпускной клапан также открывается с опережением (от 40° до 80°) до момента достижения поршнем НМТ, что позволяет обеспечить выход большей части отработавших газов под действием собственного давления. Закрытие выпускного клапана, напротив, происходит с запаздыванием (после прохождения поршнем верхней мертвой точки), что позволяет силам инерции продолжить удаление отработавших газов из полости цилиндра и делает более эффективной его очистку.

Углы опережения и запаздывания не являются общими для всех двигателей. Более мощные и быстроходные имеют большие значения этих интервалов. Таким образом, их фазы газораспределения будут шире.

Этап работы двигателя, при котором оба клапана открыты одновременно, получил название перекрытие клапанов. Как правило, величина перекрытия составляет около 10°. При этом, поскольку длительность перекрытия очень мала, а раскрытие клапанов незначительно, утечки не происходит. Это довольно благоприятный этап для наполнения и очистки цилиндров, что особенно важно при высоких оборотах.

В начале открытия впускного клапана текущий уровень давления в камере сгорания выше, чем атмосферное. В результате отработавшие газы очень быстро перемещаются к выпускному клапану. Когда двигатель перейдет на такт впуска, в камере установится высокое разрежение, выпускной клапан полностью закроется, а впускной раскроется на достаточную для интенсивного наполнения цилиндра величину сечения.

Особенности регулируемых фаз газораспределения

При высоких скоростях двигателю автомобиля необходимо больше объема воздуха. И поскольку в нерегулируемых ГРМ клапаны могут закрыться до того, как в камеру сгорания поступает его достаточное количество, работа мотора оказывается неэффективной. Для решения этой проблемы были разработаны различные способы регулировки фаз газораспределения.

Первые моторы, имеющие подобную функцию, позволяли выполнять ступенчатую регулировку, которая позволяла менять длину фазы в зависимости от достижения двигателем определенных величин. Со временем появились бесступенчатые конструкции, позволяющие выполнить более плавную и оптимальную настройку.

Простейшим решением является система сдвига фаз (CVVT), реализуемая путем поворота распределительного вала относительно коленвала на определенный угол. Это позволяет изменить момент открытия и закрытия клапанов, но фактическая продолжительность фазы остается неизменной.

Чтобы изменить непосредственно длительность фазы, в ряде автомобилей используются несколько кулачковых механизмов, а также колеблющиеся кулачки. Для точной работы регуляторов применяются комплексы из датчиков, контроллера и исполнительных механизмов. Управление такими устройствами может быть электрическим или гидравлическим.

Одной из основных причин внедрения систем с регулировкой ГРМ является ужесточение экологических стандартов по уровню токсичности отработавших газов. Это означает, что для большинства производителей вопрос оптимизации фаз газораспределения остается одним из важнейших.