Конструктивные схемы управления фазами газообмена
3. Конструктивные схемы управления фазами газообмена
Цель внедрения данных систем – обеспечить во всем диапазоне частот вращения:
1. Максимальное наполнение рабочего объема свежим зарядом при полной нагрузке.
2. Необходимое соотношение между ОГ и свежим зарядом, а также минимизацию насосных потерь и потерь заряда при частичных нагрузках.
Управление фазами газообмена осуществляется через изменение моментов и функции открытия (и закрытия), длительности открытого состояния и хода впускных и выпускных клапанов. Изменение перечисленных параметров может быть реализовано за счет механических, электромагнитных, гидравлических сил или их комбинации.
Параметры регулируются с помощью ступенчатых и бесступенчатых систем с распределительным валом. В ступенчатых системах есть выбор только между двумя или тремя положениями, обеспечивающими заданную закономерность открытия клапанов. Хотя дополнительно здесь может реализовываться, с помощью поворота распределительного вала относительно коленчатого, и бесступенчатое смещение фаз. В бесступенчатых, как следует из названия, вышеперечисленное регулирование осуществляется непрерывно. Существуют газораспределительные механизмы и без распределительного вала. Однако в серийном производстве по целому ряду причин они не реализованы.
Наиболее известные системы – «VarioCamPlus » (двухступенчатый ход впускного клапана + смещение фаз впускного клапана) компании Porsche, «Valvetronic » (бесступенчатое изменение хода (и связанной с ним продолжительности открытия) впускных клапанов + смещение фаз впускных и выпускных клапанов) от BMW и «VTEC » (двухступенчатый ход + смещение фаз клапанов) от Honda. «Valvetronic » от BMW является первой серийной системой реализующей бесступенчатое изменение параметров фаз газообмена.
Наиболее существенные преимущества бесступенчатые схемы управления дают на низких нагрузках, поскольку появляется возможность реализации бездроссельного управления нагрузкой. Однако это не означает, что метод управления стал качественным. В данном случае он остается лишь разновидностью количественного метода. Как уже отмечалось в предыдущих разделах, качественное регулирование нагрузки, реализуемое в дизелях, более предпочтительно, нежели количественное. Реализация бездроссельного управления расходом воздуха в двигателях с внешним смесеобразованием позволяет снизить насосные потери и тем самым сократить разрыв в экономичности между двумя типами регулирования. При этом применяются следующие стратегии управления, осуществляемые за счет регулирования хода клапана – раннее закрытие впускного клапана (РЗВК), позднее закрытие впускного клапана (ПЗВК), позднее открытие впускного клапана (ПОВК).
Рекомендуемые материалы
Рис.3.1 Схема протекания процесса газообмена при различных методах управления [14]
На рис.3.1 темным цветом на рисунке обозначена работа, теряемая вследствие насосных потерь. Комбинация раннего закрытия впускного клапана и уменьшения его хода дает уменьшение количества смеси в цилиндре с значительно меньшим дросселированием, чем в классическом варианте количественного регулирования. Кроме этого, перенос критического сечения на клапан, увеличение его значения позволяет существенно увеличить скорость и турбулентность течения, как на клапане, так и в цилиндре, по крайней мере, в начале сжатия. Тем самым, улучшается смесеобразование, особенно в режиме холодного пуска. В двигателях с турбонаддувом, он также известен как метод Миллера и может также использоваться на высоких нагрузках. Это объясняется тем, что при сохранении давления конца сжатия, массовый заряд цилиндра можно увеличить. Хотя для этого нужно увеличить давление наддува. Если последнее потребует увеличения размеров турбокомпрессора, то ухудшится приемистость двигателя.
В методе позднего закрытия впускного клапана, также известном как обратный цикл Миллера, впускной закрывается во время такта сжатия. Чем ниже нагрузка, тем позже закрывается клапан. Часть заряда отводится, как правило, во впускную систему. Таким образом, часть заряда дважды проходит через клапан, что с одной стороны интенсифицирует смесеобразование, с другой – возникают потери при перетекании. В двигателях с наддувом на поршень действует увеличенное противодавление, что приводит к росту насосных потерь. При очень низких нагрузках, требуемое время закрытия клапана становится позже, чем оптимальный угол опережения зажигания, что приводит к необходимости уменьшения последнего и снижению КПД двигателя. В турбированных бензиновых двигателях в области полных нагрузок можно незначительно обеднять смесь, что приведет к уменьшению теплонапряженности двигателя.
Результаты исследований различных методов управления на небольшом атмосферном бензиновом двигателе, приведенные в работе [14], показали, что на частичных нагрузках использование обратного цикла Миллера приводит к снижению расхода топлива примерно на 8%.
В отличие от прямого цикла Миллера, при управлении нагрузкой методом ПОВК, впускной клапан открывается во время движения поршня к НМТ и закрывается тогда, когда в цилиндр попало необходимое количество заряда. Момент закрытия может лежать как до, так и после НМТ. В момент открытия клапана достигается высокий перепад давления между впускным каналом и рабочей камерой двигателя, так что свежий заряд втекает с высокой скоростью, генерируя турбулентность. Это приводит к быстрому сгоранию. Недостатком является то, что при позднем закрытии впускного клапана увеличиваются насосные потери.
Как уже упоминалось, при управлении количеством смеси посредством изменения максимального хода клапана, зона дросселирования перемещается на клапан. Степень дросселирования при этом находится на значительно более низком уровне, нежели в традиционных системах с дроссельной заслонкой. При частичных нагрузках впускной клапан открывается незначительно. В результате снижения проходного сечения на клапане достигается высокая скорость истечения и генерируется турбулентность. Это улучшает смесеобразование, повышает стабильность и скорость сгорания. Снижается межцикловая нестабильность процесса. К тому же при снижении максимального хода клапана сокращаются потери на трение.
Работу системы, реализующей бесступенчатое изменение параметров фаз газообмена, рассмотрим на примере схемы «Valvetronic » фирмы BMW . Как уже упоминалось, она является первой серийной системой, реализующей бесступенчатое регулирование. Следует упомянуть, что схожие решения предложили фирмы Meta (VVH) и Mahle (MV2T).
В лекции "8 Зенкеры и зенковки" также много полезной информации.
Рис.3.2. Система Valvetronic
Управление в схеме реализуется за счет комбинации механических и электрических сил. Между впускным клапаном и кулачком располагаются новые элементы – эксцентриковый вал и промежуточный рычаг (рис.3.2). Эксцентриковый вал вращается электродвигателем через червячную передачу. При повороте эксцентрикового вала, изменяется плечо промежуточного рычага. Благодаря этому меняется ход клапана и продолжительность открытия клапана. Возможности электродвигателя позволяют производить это изменение непрерывно. Дроссельная заслонка отсутствует.
Рис.3.3. Управление фазами газообмена посредством изменения максимальной высоты подъема клапана [14]
На рис.3.3 приведена закономерность изменения фаз в системе. Для сравнения приведены закономерности схемы компании Мета. Применение системы Valvetronic позволяет снизить насосные потери. Кроме этого, перенос критического сечения на клапан, увеличение его значения позволяет существенно увеличить скорость и турбулентность течения, как на клапане, так и в цилиндре. Тем самым, улучшается смесеобразование, особенно в режиме холодного пуска.
