Александр Викторович Васильев Дмитрий Дмитриевич Полынков Механизмы управления газообменом автомобильных двигателей внутреннего сгорания методические указания

Вид материала

Методические указания

Содержание © Волгоградский государственный технический университет, 2006 автомобильных двигателей внутреннего сгорания Методические указания к курсовому и дипломному проектированию Подписано в печать . . 2006. Формат 60х84 1/16. Печать офсетная. Бумага газетная. Усл. печ. л. 1,4. Волгоградский государственный технический университет. 4000131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28. 1. Основные принципы построения схем систем управления клапанными механизмами 2. Классификация схем систем управления клапанными механизмами на основе патентного анализа 3. Системы управления газораспределением, применяемые в современных двигателях внутреннего сгорания 3.1 Системы с чередованием к 3.1.1. Honda DOHC VTEC Honda SOHC VTEC Honda SOHC VTEC-E Honda SOHC 3-stage VTEC 3.2.1. Toyota VVT-i Режим и фазы Porsche VarioCam Bmw vanos 3.3.1. Toyota VVTL-i 3.3.2. Porsche VarioCam Plus

Подобный материал:

• Двигатели внутреннего сгорания, 128.88kb.
• Жидкости Castrol для системы охлаждения автомобильных двигателей, 97.13kb.
• Решение проблемы, 246.53kb.
• Способ работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и непосредственным, 50.11kb.
• Юрий Викторович Максимов, > к т. н., доцент Александр Вячеславович Анкин методические, 147.81kb.
• Применение газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания, 15.04kb.
• Урок по физике. 8 класс Тема: «Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания», 113.91kb.
• Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания, 139.75kb.
• Сериков Евгений Николаевич Патенты, публикации: Заявка на патент Украины № u 201007968;, 25.14kb.
• «Двигатель внутреннего сгорания». Назначение, 16.86kb.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «АВТОТРАКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ»

МЕХАНИЗМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ


Методические указания

к курсовому и дипломному проектированию


РПК

«ПОЛИТЕХНИК»


ВОЛГОГРАД

2006


УДК 621.43(075)


Механизмы управления газораспределением автомобильных двигателей внутреннего сгорания: метод. указ. к курсовому и дипломному проектированию/ сост. А. В. Васильев, Д. Д. Полынков; Волгоград. гос. техн. ун–т.– Волгоград, 2006.–24 с.

Приводится классификация схем систем управления клапанными механизмами на основе патентного анализа, описываются системы управления газообменом, применяемые в современных двигателях внутреннего сгорания.

Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 101200: «Двигатели внутреннего сгорания».

Ил. 26. Табл. 1. Библиогр.: 11 назв.

Рецензент А. В. Курапин

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета.

© Волгоградский государственный технический университет, 2006

Составители: Александр Викторович Васильев

Дмитрий Дмитриевич Полынков

Механизмы управления газообменом

автомобильных двигателей внутреннего сгорания

Методические указания к курсовому и дипломному проектированию

Темплан 2006 г. Поз. №

Подписано в печать . . 2006. Формат 60х84 1/16.

Печать офсетная. Бумага газетная. Усл. печ. л. 1,4.

Тираж 100 экз. Заказ № . Бесплатно.

Волгоградский государственный технический университет.

4000131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28.

РПК «Политехник» Волгоградского государственного

технического университета.

400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

Введение

К числу основных технических параметров клапанных механизмов карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания автомобилей относятся:

• длительности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов;
  
• высоты их подъемов;
  
• фазы открытия (опережения) и закрытия (запаздывания) клапанов по отношению к верхней мертвой точке и нижней мертвой точке, называемые фазами газораспределения.
  

Использование оптимальных значений этих параметров при различных частотах вращения коленчатого вала и нагрузках на него позволяет повысить эффективность ДВС на 15...20%. Например, при малых нагрузках и скоростях вращения коленчатого вала применяются минимальные значения относительных длительностей и фаз опережения открытия впускных клапанов. При больших нагрузках и скоростях вращения коленчатого вала применяются максимальные значения этих параметров. Для лучшего наполнения цилиндров карбюраторных ДВС горючей смесью и очистки их от отработавших газов моменты открытия и закрытия клапанов не совпадают с приходом поршня в верхнюю мертвую точку. В результате закрытия выпускного клапана с запаздыванием и открытия впускного клапана с опережением оба клапана некоторый период времени открыты одновременно (перекрытие клапанов). Однако большая скорость динамических процессов в цилиндре практически исключает при этом возможность смешивания потоков отработавших газов и горючей смеси (в карбюраторных ДВС) или чистого воздуха (в дизельных ДВС).

Традиционные механизмы газораспределения четырехтактных ДВС с кулачковым распределительным валом, кулачок которого (непосредственно или через рычаги и штанги) перемещает тарельчатый клапан, не позволяют варьировать вышеуказанные параметры, т. е. обеспечивают неизменные значения моментов и относительных длительностей открытия и закрытия клапанов, а также высоты их подъемов, независимо от скоростного и нагрузочного режимов двигателя. Это вызывает такие нежелательные явления как выброс свежего заряда в выпускную трубу, обратный выброс ее из цилиндра во впускную трубу и др. В результате получить высокий коэффициент наполнения цилиндра во всем диапазоне режимов работы двигателя не удается. Более совершенны, с этой точки зрения, механизмы, изменяющие фазы газораспределения, длительность открытия и закрытия клапанов, а также высоты их подъемов.

В серийные двигатели современных автомобилей все чаще устанавливают механизмы изменения фаз газораспределения. Идея сдвига фаз газораспределения в зависимости от условий работы двигателя внутреннего сгорания достаточна стара. Первый патент на подобное устройство получил Самуэль Хальтенбергер еще в сентябре 1918 года. Конструктор предназначал это изобретение не автомобильному, а авиационному двигателю, а управлял этим устройством, по своей сути, барометр (рис. 1).




Рис. 1. Чертеж Самуэля Хальтенбергера к патенту № DE368775


По мере подъема самолета в более разреженные слои атмосферы диафрагма под воздействием пружины выгибалась наружу и смещала специальную муфту с косо нарезанными зубьями. Ответные зубья были на кулачковом валу, который поворачивался относительно своей ведущей шестерни. В результате на высоте сохранялось хорошее наполнение цилиндров смесью, а мощность двигателя почти не падала.

1. Основные принципы построения схем систем управления клапанными механизмами

Отмечены четыре основных варианта построения систем управления клапанными механизмами с различными сочетаниями изменения основных технических параметров:

1. изменение фаз опережения открытия клапанов при постоянных подъеме и относительной длительности открытия (обычно измеряемой в угловых градусах) (рис. 2);
   

2. изменение относительной длительности открытия клапанов при постоянных подъеме и фазе открытия (рис. 3);
   

Рис. 2

3. изменение подъемов клапанов при постоянных относительных длительностях и фазах открытия (рис. 4);
   

Рис. 3


Рис. 4

4. изменение подъемов клапанов на части цилиндров ДВС при сохранении постоянных технических параметров на остальных цилиндрах.
   

Остальные способы управления опираются на четыре вышеуказанных в отношении либо к выпускным, либо к впускным клапанам, либо к обоим одновременно, а также на комбинацию данных способов.

2. Классификация схем систем управления клапанными механизмами на основе патентного анализа

На основе анализа патентов, полученных в течение последних двух десятилетий, и технической литературы по ДВС автомобилей существующие системы управления клапанными механизмами можно разделить на 15 групп.

Г
Рис. 2.1.
руппа 1

Клапанный механизм с электромагнитным управлением, показанный на рис. 5, где обозначено: 1 – клапан с головкой и стержнем, 2 – обмотка электромагнита, обеспечивающая перемещение толкателя клапана и самого клапана, 3 – электронный контроллер, обеспечивающий управление положением клапана, 4 – источник питающего электрического тока. Открытие и закрытие клапана соответствует моментам задания электрического тока в обмотку 2 и его прерывания. Достоинства данной системы:

• простота механической части конструкции;
  
• ш
  Рис. 5
  ирокие пределы и высокая точность времени задания срабатывания;
  
• высокое быстродействие;
  
• независимость регулирования впускного и выпускного клапана.
  

В клапанном механизме данного вида применяют специальные электромагниты Helenoid, которые обеспечивают подъем клапана (или опускание) на расстояние ~8 мм за время ~2 мс. Недостатки данной системы следующие:

• невысокая точность управления динамикой движения клапана, вследствие чего могут иметь место сильные соударения головки клапана с седлом, приводящие к их быстрому износу;
  
• большое потребление электрической мощности электромагнитами всех клапанов, КПД которых составляет 20-50% (при КПД равном 50%, средняя мощность, потребляемая одним электромагнитом Helenoid, составляет ~200Вт).
  

При частоте вращения коленчатого вала 5000 об/мин, массе клапана 227 г и его подъеме, равном 11,2 мм, максимальные усилия, прикладываемые к клапану, составляют 55 Н. Из-за высокой стоимости данных электромагнитов, а также необходимости применения средств охлаждения описанные системы управления клапанным механизмом пока находят применение при исследовании экспериментальных образцов.

Группа 2

В нее входят клапанные механизмы с системами гидравлического управления, наиболее типичный из которых показан на рис. 6, где обозначено: 1- клапан, 2 – гидравлический контроллер, управляющий приводным устройством, 3, 4 – источник рабочей жидкости и устройство ее стока. Достоинства:

• простота конструкции;
  
• возможность регулирования технических параметров в широких пределах;
  

Недостатки:

• трудности обеспечения необходимого высокого быстродействия при больших частотах вращения коленчатого вала. Верхняя граничная частота частотной характеристики приводного устройства при задании высоких частот вращения должна составлять не менее 1 кГц;
  
• н
  Рис. 6
  едостаточно высокая точность управления динамикой движения клапана, вследствие чего могут возникнуть значительные соударения головки клапана и седла.
  

Для обеспечения необходимых усилий с учетом вышеуказанных требований к частотной характеристике давление рабочей жидкости в системе управления клапанным механизмом должно составлять не менее 200 кгс/см². С учетом необходимости обеспечения малых утечек рабочей жидкости рассмотренные требования приводят к созданию сложной гидравлической системы, обладающей значительной стоимостью.

Группа 3

В этих механизмах клапан управляется кулачком распределительного вала через рычаг с поворотной опорой, необходимое угловое положение которого устанавливается с помощью гидравлического дроссельного привода.

Достоинства:

• простота конструкции;
  
• широкие диапазоны регулирования режимов работы клапана при использовании управляемого дросселя.
  

Недостатки:

• значительные соударения головки клапана с седлом;
  
• заметные потери рабочей жидкости в результате ее утечек.
  

Группа 4

Клапан через рычаг с поворотной опорой управляется кулачком распределительного вала, профиль которого изменяется вдоль оси этого вала. В клапанных механизмах этой группы обеспечивается регулирование и относительной длительности и фазы опережения открытия клапана при поступательном перемещении распределительного вала вдоль продольной оси. Устройство данного механизма показано на рис. 7, где обозначено: 1 – распределительный вал, кулачок с переменным вдоль оси профилем, 3 – механизм продольного перемещения вала 1, 4 – поворотная опора рычага, через который создаваемое кулачком 2 усилие передается на клапан 5.

Достоинства:

• возможности управления характеристиками перемещения клапана (хотя реальные конструкции клапанов ограничивают возможности такого управления);
  
• стадии подъема, опускания и посадки головки клапана в седло точно фиксируются.
  

Н
Рис. 7
едостатки:

• в процессе работы клапана контактирование рычага-толкателя с кулачком распределительного вала происходит в точке или в лучшем случае по касательной линии, которое приводит к быстрому износу сопряженных поверхностей;
  
• регулирование параметров клапанного механизма может осуществляться в относительно небольших пределах, ограниченных следующими факторами:
  
• возникновение боковых усилий, определяемых углом наклона профиля кулачка;
  
• большие механические напряжения в точках контактирования;
  
• ограниченные длина кулачка и угол наклона его профиля;
  
• сложность обеспечения продольного перемещения распределительного вала.
  

Группа 5

В клапанном механизме используется стандартный распределительный вал с кулачком, который механически воздействует на клапан через коромысло. Начальное положение коромысла устанавливается с помощью специального эксцентрика таким образом, что в течение определенной части одного цикла вращения коленчатого вала может иметь место зазор между кулачком и коромыслом. Соответствующим выбором этого зазора можно регулировать длительность открытия клапана. Схема такого механизма показана на рис. 8, а, где обозначено: 1 – клапан, 2 – коромысло с опорой, 3, 4 – эксцентрик, обеспечивающий задание начального положения коромысла (и относительной длительности работы к

а б


Рис. 8
улачка с зазором соответственно), 5 – кулачек, 6 – зазор, при наличии которого о тсутствует контактирование между кулачком 5 и коромыслом 2.

На рис. 8, а показан случай такого регулирования эксцентрика 4, при которой в течение длительности, равной половине периода вращения коленчатого вала, существует зазор (разрыв контактирования) между кулачком 5 и коромыслом 2. На рис.8, б показана диаграмма работы такого клапанного механизма, где обозначено: 7 - область подъема клапана, 8 - области наличия зазора.

Описанный режим работы такого клапанного механизма называется режимом с потерей движения (контакта). Достоинства:

• широкие пределы регулировки времени открывания клапана с относительно высокой точностью;
  
• сравнительно несложное построение системы автоматической регулировки.
  

Недостатки:

• возможность появления значительных соударений головки клапана с седлом, а также кулачка с коромыслом;
  
• появление больших механических напряжений на участках соударений, их быстрый износ;
  
• повышенный уровень шумов.
  

Указанные недостатки могут быть значительно снижены при использовании конструкции клапана с угловым перемещением, однако клапан такой конструкции является относительно сложным.

Группа 6

Клапанный механизм содержит регулируемое по положению коромысло, через которое производится передача усилия с кулачка распределительного вала на клапан. При изменении положения коромысла путем его продольного перемещения с помощью ползунка изменяется длина плеча рычага, через которое производится передача усилия с кулачка на клапан, и высота подъема клапана, соответственно. Такая регулировка клапана позволяет сохранять постоянными относительную длительность его открытия и фазу опережения открытия. Недостатки этой группы клапанных механизмов сходны с недостатками группы 5.

Группа 7

Клапанный механизм содержит два независимо управляемых по относительному угловому положению распределительных вала с кулачками. В зависимости от относительного углового положения кулачков этих валов обеспечивается регулирование времени открытия и высоты подъема клапана. Передача усилий кулачков на клапан производится через коромысло, имеющее поворотную опору. При этом высота подъема клапана определяется суммой мгновенных эффективных перемещений плеч коромысла, задаваемых кулачками. Схема этого клапанного механизма представлена на рис. 9, а, где обозначено: 1 – клапан, 2 – коромысло, 3 – поворотная опора коромысла, 4, 5 – кулачки распределительных валов.


а в

Рис. 9

б
На рис. 9, б показана диаграмма изменения высоты подъема 6 клапана в зависимости от времени 7 при одинаковых угловых положениях кулачков 4 и 5. На рис. 9, в показана диаграмма зависимости высоты подъема от времени при разности фаз угловых положений клапанов, равной 90. В первом случае обеспечивается максимальная высота подъема клапана и минимальная длительность его открытия. Во втором случае обеспечивается максимальная длительность открытия клапана. В одной из разновидностей клапанных механизмов данной группы обеспечивается плавная регулировка времени открытия клапана за счет изменения длины рычага, образованного одним из плеч коромысла для первого или второго кулачка. Достоинства:

• соударения головки клапана с седлами являются сравнительно небольшими;
  

Недостатки:

• в большинстве клапанных механизмов этой группы диапазон времени открывания составляет 2:1, что недостаточно для обеспечения оптимальных режимов эксплуатации ряда ДВС (этот диапазон регулировок получается при установках кулачков в два крайних положения, соответствующих диаграммам рис. 9, б, в);
  
• в других клапанных механизмах этой группы с диапазоном регулировок более 2:1 появляются заметные соударения головки клапана с седлом.
  

Группа 8

Управление клапаном осуществляется с помощью ползуна, имеющего заданный профиль рабочей поверхности, контактирующей с толкателем клапана, который совершает периодические возвратно-поступательные движения в направлении, перпендикулярном оси клапана. Управление перемещениями ползуна осуществляется с помощью тяги с кольцевым элементом на свободном конце, внутри которого располагается круглый эксцентрик, приводимый во вращение вспомогательным валом (и по существу выполняющим функцию распределительного вала). Регулирование параметров открывания и закрывания клапана осуществляется путем задания вспомогательному валу с эксцентриком соответствующих поперечных перемещений. Достоинства:

• клапанный механизм обеспечивает необходимый большой диапазон длительностей открытия клапана без существенных соударений его головки с седлом.
  

Недостаток:

• сложность конструкции, определяемая значительным числом подвижных элементов и их связями. Этот недостаток становится существенным для многоцилиндровых ДВС, в которых клапанный механизм для каждого клапана настраивается индивидуально.
  

Группа 9

Клапанный механизм содержит два соосно расположенных распределительных вала с кулачками: трубчатый полый и расположенный внутри его круглый вал, взаимное угловое положение которых можно регулировать. Передача управляющих усилий от кулачков этих валов на толкатель клапана производится через рычаг с поворотной опорой. Если кулачки по положению совпадают друг с другом они одновременно воздействуют и на рычаг, и длительность такого воздействия является минимальной. При угловом расхождении кулачков общее время их воздействия разделяется на зоны, в пределах которых они взаимодействуют с рычагом совместно или по отдельности. При большом угловом расхождении кулачков усилия их воздействий на рычаг в пределах зоны их совместного взаимодействия становятся относительно небольшими, и соответственно уменьшается высота подъема клапана. При таком режиме работы могут иметь место значительные соударения элементов в клапанном механизме.

Группа 10

В клапанных механизмах этой группы предусматривается регулировка углового положения кулачков распределительного вала с помощью управляемой передачи, соединяющей распределительный вал с коленчатым валом: механической, гидравлической, смешенной. В зависимости от вида управляемой передачи и ее конструктивного исполнения, клапанные механизмы этой группы разделяются на 5 модификаций.

Н
Рис. 10
а рис. 10 показано устройство клапанного механизма с гидравлической управляющей передачей, соединяющей распределительный вал, непосредственно связанный с толкателем клапана, и вспомогательный вал с приводной звездочкой, соединенной с коленчатым валом. Распределительный вал 1 имеет крыльчатку с лопастями 2, которые располагаются между радиальными перегородками 3 вспомогательного трубчатого вала 4, соединенного с коленчатым валом. Полости между лопастями 2 крыльчатки распределительного вала 1 и перегородками 3 вспомогательного вала 4заполняются рабочей жидкостью. В зависимости от объема рабочей жидкости, вводимой через каналы 5 и 6 в полости, находящиеся с левой и правой сторон от каждой из лопастей 2 крыльчатки, изменяется угловое положение распределительного вала 1 относительно вспомогательного вала 4. Достоинства:

• простая и компактная конструкция клапанного механизма;
  
• малый износ элементов;
  
• небольшие потери энергии.
  

Недостатки:

• ограниченность диапазонов регулирования;
  
• необходимость применения специальной рабочей жидкости, отличной от масла, используемого в ДВС
  
• необходимость применения высококачественных герметизирующих уплотнений, удорожающих стоимость механизма.
  

Группа 11

Для каждого клапана клапанного механизма на распределительном вале предусмотрена совокупность расположенных один за другим кулачков различных размеров, образующих многоступенчатую систему. Выбор необходимого кулачка производится путем продольного перемещения распределительного вала с помощью соответствующего приводного устройства. Создаваемое выбранным (активным) кулачком усилие передается на толкатель клапана через рычаг поворотного типа. Достоинства:

• простота конструкции;
  
• возможность выбора профилей и размеров кулачков каждой из совокупностей с учетом конкретных заданных диапазонов регулирования процессами открытия и закрытия клапана.
  

Недостатки:

• число кулачков в каждой многоступенчатой системе существенно ограничено требованиями к конструкции клапанного механизма и ее допустимым габаритам;
  
• ступенчатое изменение значений перемещений клапана не позволяет обеспечить оптимальные режимы их работы;
  
• п
  Рис. 11
  ри переходе с одного кулачка на другой в процессе управления клапанным механизмом могут иметь место значительные соударения.
  

Группа 12

В этих клапанных механизмах передача усилий от кулачка распределительного вала к толкателю клапана осуществляется через управляемый эксцентриковый механизм, обеспечивающий регулирование опережения открывания клапана или его подъема практически без оказания влияния на длительность открывания. Устройство такого клапанного механизма показано на рис. 11, где обозначено: 1 – клапан, 2 – рычаг с поворотной опорой, 3, 4 – эксцентрик, управляемый по положению поступательно перемещаемым стержнем 5, 6 – кулачек, расположенный на распределительном вале 7. Достоинства:

• клапанный механизм позволяет относительно просто осуществлять индивидуальную регулировку перемещений клапана, в том числе раздельно впускных и выпускных.
  

Недостатки:

• ограниченность регулирования фазы опережения открытия клапана, пределы регулирования которой не превышают 30.
  

Группа 13

В этих клапанных механизмах производится предварительное поджатие элементов механической цепи передачи усилия кулачка распределительного вала на толкатель клапана через рычаг с поворотной опорой. При этом обеспечивается регулирование подъема клапана практически без оказания влияния на время его открытия. Достоинства:

• благодаря простоте конструкции клапанного механизма обеспечиваются малые механические потери и высокая эффективность работы ДВС;
  
• повышение экономичности ДВС достигает 15%.
  

Недостатки:

• регулировка процессов перемещения клапана по существу является дискретной для отдельных клапанов, что затрудняет обеспечение оптимального управления клапанным механизмом и заслонкой в системе подачи горючей смеси.
  

Группа 14

В
Рис. 12
каналах впуска горючей смеси и выпуска отработанных газов клапанного механизма применяются по два последовательно включенных клапана. Работа таких систем обеспечивается при одновременном включении обоих клапанов. Устройство такого механизма показано на рис. 12, где обозначено: 1, 2 – последовательно включенные клапаны, 3, 4 – актюаторы (приводы) клапанов. Достоинства:

• простота управления;
  
• возможность применения стандартных распределительных валов с относительно простыми регуляторами сдвига фаз.
  

Недостатки:

• сложность конструкции из-за большого числа клапанов и трудностей их размещения в заданных объемах клапанного механизма;
  
• наличие промежуточной полости между клапанами 1 и 2 вызывает дополнительный аккумуляторный эффект, обуславливающий искажения динамики работы ДВС;
  
• большие потери потоков по сравнению с одноклапанными механизмами.
  

Группа 15

В каналах впуска и выхлопа клапанного механизма применяются два параллельно включенных клапана. Работа таких систем обеспечивается при включении одного из двух клапанов. Достоинства механизмов этой группы аналогичны группе 14. Недостатки:

• сложность системы управления с учетом применения удвоенного числа клапанов, срабатывание каждого и которых влияет на протекание процессов в ДВС;
  
• параметры этих процессов зависят от числа включенных клапанов (одного или двух).
  

3. Системы управления газораспределением, применяемые в современных двигателях внутреннего сгорания

3.1 Системы с чередованием кулачков различного профиля

Данные системы представляют собой клапанные механизмы с группами кулачков различного профиля, обеспечивающие различные фазы газораспределения и высоту подъема клапана. Каждая такая группа предназначена для клапана (одноименных клапанов) отдельно для каждого цилиндра. Один кулачок работает при пониженных частотах вращения коленчатого вала, другой (или другие) приходят ему на смену при увеличении скоростного режима двигателя.

В
Рис. 13. Общий вид DOHC VTEC
общем случае, такие системы не обеспечивают плавного регулирования, работая ступенчато. Число ступеней регулирования ограничено количеством кулачков.

Системы такого типа применяют:

• Honda VTEC
  
• Nissan Neo VVL
  
• Mitsubishi MIVEC
  

3.1.1. Honda DOHC VTEC

Аббревиатура VTEC полностью расшифровывается следующим образом — Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. В переводе на русский — это электронная система управления временем открытия и высотой подъема клапанов. Основное назначение данной системы (рис. 13) - обеспечение высокой удельной мощности (100 л.с./л и больше) и большого крутящего момента при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя. Ее особенностями являются:

• два распределительных вала, четыре клапана на цилиндр;
  
• использование рокеров;
  
• на каждые два клапана приходится три кулачка на распределительном вале;
  
• система VTEC используется на обоих распредвалах, как впускном, так и выпускном (на это указывает аббревиатура DOHC – Double OverHead Camshaft).
  

Рис. 14. Схема работы системы DOHC VTEC


При низких частотах вращения (рис. 14, а) коромысло G не связано с коромыслами E и F, на которые напрямую воздействуют имеющие одинаковый профиль наружные кулачки A и B, тем самым приводя в действие клапаны. Данные кулачки имеют профиль, соответствующий хорошей управляемости на низких и средних частотах вращения коленчатого вала, низкому уровню токсичности отработавших газов и улучшенным показателям по топливной экономичности. В то же время, внутренний кулачек С воздействует на коромысло G, которое, будучи не связанным с клапанами, работает вхолостую.

При увеличении частоты вращения двигателя шпилька D под действием давления масла перемещается в направлении, обозначенном на рис. 14, б стрелкой, связывая между собой все три коромысла. Это приводит к тому, что теперь клапаны приводятся в действие кулачком С, т.к. его профиль соответствует большему подъему клапана, в то время как между наружными кулачками А, В и коромыслами E, F возникает зазор и они работают вхолостую. Благодаря тому, что кулачек С спрофилирован специально для работы двигателя при повышенных частотах вращения, это приводит к улучшению показателей его работы на данном режиме.

При снижении частоты вращения давление масла уменьшается, возвратная пружина Н перемещает шпильку D в обратном направлении и разъединяет коромысла. Трехступенчатое управление достигается следующим образом: благодаря тому, что система устанавливается как на впускном, так и на выпускном распределительных валах, при низких частотах вращения впускные и выпускные клапаны приводятся в действие «медленными» кулачками А и В. При средних частотах вращения выпускные клапаны приводятся в действие «быстрым» кулачком С, а выпускные - «медленными» кулачками. При работе двигателя на высоких частотах вращения все клапаны приводятся в действие «быстрыми» кулачками.

2. Honda SOHC VTEC

Назначение системы SOHC VTEC, появившейся двумя годами позднее, чем DOHC VTEC, такое же, но не так сильно выраженное, а для слабофорсированных двигателей – сглаживание кривой крутящего момента. Отличительными ее особенностями являются:

• один распределительный вал, четыре клапана на цилиндр;
  
• используются роликовые коромысла;
  
• система SOHC VTEC используется только для впускных клапанов;
  
• на каждые два впускных клапана приходится три кулачка;
  

SOHC VTEC имеет два pежима pаботы, аналогичных pежимам DOHC VTEC. Может показаться, что SOHC VTEC хуже, чем DOHC VTEC. Это не так, SOHC VTEC имеет некотоpые пpеимущества, такие как пpостота констpукции, меньшая шиpина двигателя, меньший вес, возможность относительно легко использовать её на двигателях пpедыдущего поколения.

2. Honda SOHC VTEC-E

Появившаяся одновpеменно с SOHC VTEC и схожая с ней по некотоpым констpуктивным особенностями, эта система, тем не менее, используется для дpугих целей, а именно для повышения экономических показателей двигателя. Ее особенностями являются:

• один распределительный вал, четыре клапана на цилиндр;
  
• используются роликовые коромысла;
  
• система SOHC VTEC используется только для впускных клапанов;
  
• на каждые два впускных клапана приходится два кулачка, профиль одного из которых почти круглый.
  

S
Рис. 15. Система SOHC VTEC-E
OHC VTEC-E также имеет два pежима pаботы. Пpи небольших частотах вращения оба впускных клапана упpавляются своими кулачками, но поскольку один из этих кулачков является практически круглым, лишь ненамного приоткрывая клапан во избежания скапливания горючей смеси, pеально pаботает только втоpой клапан. За счёт несимметpичности потока поступающей гоpючей смеси (один клапан закpыт, а втоpой откpыт) возникают завихpения, котоpые позволяют pаботать на довольно бедной смеси (рис. 15). Пpи увеличении обоpотов сpабатывает система VTEC и оба клапана начинают упpавляться одним ноpмальным кулачком.

Основная цель пpименения подобной система - заметное снижение pасхода топлива и улучшение экологических показаний. Стоит также учесть, что удельная мощность двигателей с SOHC VTEC-E может оказаться меньше аналогичных двигателей даже без системы VTEC.

2. Honda SOHC 3-stage VTEC

Последняя разработка в этой области фирмы Honda трехступенчатая система SOHC VTEC по своей сути представляет собой объединение двух диаметpально пpотивоположных по назначению систем: SOHC VTEC и SOHC VTEC-E. Ее отличительные особенности:

• один распределительный вал, четыре клапана на цилиндр;
  
• используются роликовые коромысла;
  
• система SOHC VTEC используется только для впускных клапанов;
  
• на каждые два впускных клапана приходится три кулачка.
  

На первой стадии (рис. 16, а), когда частота вращения коленчатого вала не превышает ~2500 об/мин, коромысла 1 и 2 работают независимо. Почти круглый кулачок 7 через коромысло 1 приводит в действие клапан 10, а кулачок 8 через коромысло 2 приводит в действие клапан 11, т.е. фактически процесс впуска осуществляется посредством клапана 11, тогда как клапан 10 лишь ненамного приоткрывается для избежания скопления топлива над ним. Кулачок 6 работает вхолостую.


На второй стадии (рис. 16, б), начиная с ~2500 об/мин, масло, поступающее по каналу 3, давит на шпильку 5, которая соединяет коромысла 1 и 2, обеспечивая синхронную работу обоих впускных клапанов в соответствии с профилем кулачка 8. Кулачки 7 и 9 работают вхолостую.

Н
Рис. 16. 1, 2 – коромысла клапанов; 3, 4 – полости для подвода масла; 5, 6 – шпильки; 7, 8, 9 – кулачки; 10, 11 - клапаны
а третьей стадии (рис. 16, в) масло по-прежнему поступает по каналу 3 и удерживает шпильку 5 в положении, обеспечивающем синхронную работу обоих клапанов, в то время как начиная с ~4500 об/мин начинает поступать масло по каналу 4 и давить на шпильку 6, обеспечивающую передачу управления клапанами кулачку 9, обеспечивающему большую высоту подъема. Кулачки 7 и 8 работают вхолостую.


3.2 Системы с варьированием времени начала открытия клапанов

Данные механизмы изменяют фазы путем смещения углов начала открытия клапанов относительно верхней мертвой точки. Так как в таких системах профиль кулачка остается неизменным во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя, то остаются неизменными высота подъема и длительность открытого состояния клапанов. Тем не менее, данный недостаток компенсируется тем, что в системах данного типа необходим всего один управляющий механизм на каждый распределительный вал, в отличие от систем с чередованием кулачков, в которых необходимо устанавливать такие механизмы для одноименных клапанов каждого цилиндра. Именно по этой причине системы с варьированием угла начала открытия клапанов являются наиболее дешевыми и простыми в исполнении и, как следствие, наиболее распространенными в настоящее время.

В наиболее простых системах механизмы изменения фаз являются двух- или трехрежимными, то есть процесс варьирования ступенчатый, в отличие от более сложных, которые обеспечивают плавное изменение фаз во всем диапазоне частот вращения вала двигателя. Системы такого типа применяют:

• Toyota VVT-i (впускной распредвал, плавное изменение).
  
• BMW VANOS (впускной распредвал, плавное изменение);
  
• BMW Doppel VANOS (оба распредвала, плавное изменение);
  
• Porsche Variocam (впускной распредвал, трехступенчатое изменение);
  

3.2.1. Toyota VVT-i

С
Рис. 17. Исполнительный механизм VVT-i
истема VVT-i (Variable Valve Timing intelligent - изменение фаз газораспределения) позволяет плавно изменять фазы газораспределения в соответствии с условиями работы двигателя. Это достигается путем поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных в диапазоне 40-60° (по углу поворота коленвала). В результате изменяется момент начала открытия впускных клапанов и величина времени "перекрытия" (то есть времени, когда выпускной клапан еще не закрыт, а впускной - уже открыт).

Исполнительный механизм VVT-i (рис. 17) размещен в шкиве распределительного вала - корпус привода соединен со звездочкой или зубчатым шкивом, ротор - с распредвалом. Масло подводится с одной или другой стороны каждого из лепестков ротора, заставляя его и сам вал поворачиваться. Если двигатель заглушен, то устанавливается максимальный угол задержки (то есть угол, соответствующий наиболее позднему открытию и закрытию впускных клапанов). Чтобы сразу после запуска, когда давление в масляной магистрали еще недостаточно для эффективного у
Рис. 18. Масляный клапан системы VVT-i
правления VVT-i, не возникало ударов в механизме, ротор соединяется с корпусом стопорным штифтом (затем штифт отжимается давлением масла). Управление VVT-i осуществляется при помощи масляного клапана (рис. 18) VVT-i (OCV - Oil Control Valve). По сигналу блока управления электромагнит через плунжер перемещает основной золотник, перепуская масло в том или ином направлении. Когда двигатель заглушен, золотник перемещается пружиной таким образом, чтобы установился максимальный угол задержки. Для поворота распределительного вала масло под давлением при помощи золотника направляется к одной из сторон лепестков ротора, одновременно открывается на слив полость с другой стороны лепестка. После того, как блок управления определяет, что распредвал занял требуемое положение, оба канала к шкиву перекрываются, и он удерживается в фиксированном положении.




Рис. 19. Функционирование системы VVT-I при повороте распредвала в сторону более раннего открытия клапанов



Рис. 20. Функционирование системы VVT-I при повороте распредвала в сторону более позднего открытия клапанов



Рис. 21. Функционирование системы VVT-I в режиме удержания


Таблица 1

Функционирование системы VVT-i определяется условиями работы двигателя на различных режимах



Продолжение таблицы 1


Описанный выше 4-лепестковый ротор позволяет изменять фазы в пределах 40° (как, например, на двигателях серий ZZ и AZ), но если требуется увеличить угол поворота (до 60° у SZ) - применяется 3-лепестковый или расширяются рабочие полости (рис. 20.)

a	б	в

Рис. 22. Система VVT-I с трехлепестковым ротором: а - при повороте распредвала в сторону более раннего открытия клапанов, б - при повороте распредвала в сторону более позднего открытия клапанов, в - в режиме удержания

2. Porsche VarioCam

Как и в системе VVT-i, исполнительный механизм системы Porsche Variocam размещен в шкиве распределительного вала - корпус привода соединен с зубчатым шкивом, ротор - с распредвалом (рис. 23, где 1 – ротор, 2 – зубчатый шкив). Принцип ее работы аналогичен системе VVT-i.

2. BMW VANOS

Исполнительный механизм системы VANOS фирмы BMW также расположен в шкиве распределительного вала двигателя, однако принцип его конструкция отличается от VVT-i и Variocam.

На рис. 24 показана схема работы системы. Поворот распределительного вала обеспечивается за счет разницы давления масла в полостях 1 и 2, которое определяется положением масляного клапана 7. Если давление в полости 1 больше, нажимной диск 3 через промежуточную втулку 4 давит на косозубую шестерню 6, размещенную в шкиве распределительного вала, находящуюся в зацеплении с косозубой шестерней, закрепленной на распределительном валу.





Рис. 24. Система VANOS


3.3 Системы с варьированием времени начала открытия и регулированием высоты подъема клапанов

Большинство систем данного типа являются усовершенствованными версиями систем с варьированием времени начала открытия клапанов, в которых установлен механизм регулирования высоты подъема клапанов.

3.3.1. Toyota VVTL-i

Система VVTL-i является модернизацией системы VVT-i. Регулирование времени начала открытия клапанов в ней осуществляется таким же способом. Однако, в отличие от VVT-i, в данной системе для каждой пары одноименных клапанов на распределительном валу размещены два кулачка различного профиля.

На рис. 25 показан принцип работы механизма изменения высоты подъема клапана, который, как видно, является двухрежимным. При низких и средних частотах вращения вала двигателя кулачок для высоких оборотов вращается вхолостую, а подъем клапанов полностью зависит от профиля «низкооборотного кулачка». При увеличении частоты вращения ползун под действием давления масла, преодолевая сопротивление пружины, занимает рабочее положение, тем самым передавая управление клапанами «высокооборотному» кулачку.




Рис. 25. Система Toyota VVTL-i

3.3.2. Porsche VarioCam Plus

В системе Variocam Plus регулирование высоты подъема клапана, как и в системе VVTL-I, является двухрежимным (рис.26). В этой системе на каждый клапан управляется группой из трех кулачков – средний кулачок 1 спрофилирован для низких и средних частот вращения, крайние кулачки 2 – для высоких частот вращения. Толкатель клапанов является составным и состоит из двух стаканов – внутреннего стакана 3 и наружного 4. При низких и средних частотах вращения клапан управляется кулачком 1, который давит на малый внутренний стакан 3, в то время как кулачки 2 работают вхолостую. При увеличении частоты вращения шпилька 5 под действием давления масла перемещается и соединяет между собой оба стакана, передавая управление клапаном кулачкам 2.




Рис. 26. Система Porsche Variocam Plus


Проведенный обзор составлен по материалам, представленным в ряде литературных источников и Интернет-сайтов:

1. ЗА РУЛЕМ., 2004, №1., с. 72-73.
   
2. Испытательные приборы и стенды., 1991, №1., с. 15-24.
   
3. ссылка скрыта.
   
4. ссылка скрыта.
   
5. ссылка скрыта.
   
6. ссылка скрыта.
   
7. ссылка скрыта.
   
8. ссылка скрыта.
   
9. rchat.com/enginedetail.php">.
   
10. ссылка скрыта.
    
11. ссылка скрыта.