Влияние фаз газораспределения на процессы газообмена

Установлено, что для лучшего газообмена впускной клапан необходимо начать открывать примерно за 10—30° до прихода поршня в ВМТ, а выпускной закрывать спустя 10—50° после прохода поршнем ВМТ. Следовательно, существует период, во время которого оба клапана находятся в открытом состоянии.

Период, когда одновременно открыты оба клапана, называется перекрытием клапанов, а периоды, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, в течение которых клапаны открыты, называют фазами газораспределения. Графическое изображение фаз газораспределения — диа­грамма показана на рис. 6.

Рис. 6. Диаграмма фаз газораспределения

Во время перекрытия клапанов происходит и поступление в цилиндр свежего заряда, и выпуск отработавших газов. Этот процесс газообмена называется продувкой цилиндра. При продувке свежий заряд смешивается с отработавшими газами, и часть его выходит через выпускной клапан, а часть через впускной клапан возвращается в систему впуска (обратный выброс). Так происходит в карбюраторных двигателях при работе на режиме холостого хода, когда дроссельная заслонка сильно прикрыта, и поэтому давление в системе впуска снижается. То же самое может происходить и при малых частотах вращения коленчатого вала, когда инерция свежего заряда не велика, и поршень во время запаздывания закрытия впускного клапана часть свежего заряда вытесняет обратно в цилиндр. В результате количество свежего заряда, оставшегося в цилиндре после окончания впуска, оказывается меньше общего количества свежего заряда, поступившего в цилиндр при газообмене.

В табл. 1 представлены фазы газораспределения некоторых автомобильных двигателей. Как следует из этой таблицы, у всех четырехтактных двигателей впускные клапаны открываются и закрываются со значительным опережением и запаздыванием.

Таблица 1. Фазы газораспределения некоторых автомобильных двигателей

Этапы опережения, запаздывания и перекрытия клапанов позволяют улучшить очистку и наполнение цилиндров.

Опережение открытия впускного клапана обеспечивает достаточное проходное сечение к началу поступления свежего заряда в цилиндр, что позволяет увеличить эффективную пропускную способность клапана во время всего впуска, а значит, и наполнение цилиндра.

Запаздывание закрытия впускного клапана кроме повышения пропускной способности позволяет использовать инерцию свежего заряда для дополнительной подачи его в цилиндр — дозарядка цилиндра.

Опережение открытия выпускного клапана обеспечивает более эффективную очистку цилиндра за счет избыточного давления отработавших газов в конце процесса расширения и тем самым снизить потери мощности двигателя на принудительное выталкивание отработавших газов на такте выпуска. Запаздывание закрытия клапана позволяет дополнительно удалить из цилиндра некоторое количество остаточных газов путем использования их инерции движения через выпускной клапан и за счет перепада давлений между цилиндром и окружающей средой.

Если клапаны открываются с большим опережением и закрываются с большим запаздыванием, фазы газораспределения называются широкими. Если опережение открытия и запаздывание закрытия клапанов незначительны, фазы газораспределения называются узкими.

В большинстве случаев высокооборотные двигатели имеют более широкие фазы газораспределения, чем двигатели малооборотные.

Для эффективного газообмена важно обеспечить большие проходные сечения в клапанных щелях, которые в процессе открытия и закрытия клапана меняются, поэтому пропускную способность клапанов характеризуют параметром, называемым «время—сечение»:

,

где f — переменное проходное сечение в клапанной щели;

τ — время открытого состояния клапана;

n — частота вращения коленчатого вала;

φ₁ и φ₂— углы поворота коленчатого вала при опережении открытия и запаздывании закрытия клапана.

«Время—сечение» соответствует площади, ограниченной кривой f = f (φ) и осью абсцисс. Сравнение параметров «время-сечение» при различных фазах газораспределения показано на рис. 7.

Рис. 7. Изменение параметра «время—сечение» клапана
при различных фазах распределения:
1 — закрытие и открытие клапана без опережения и запаздывания;
2 — открытие и закрытие клапана с опережением и запаздыванием

Подогрев свежего заряда

Во время впуска в двигатель свежий заряд подогревается от нагретых деталей на величину △T. По определению коэффициента наполнения его величина напрямую зависит от массы свежего заряда действительно поступившего в цилиндр, которая в свою очередь зависит от плотности воздуха.

Подогрев заряда способствует снижению η _v так как при этом снижается плотность заряда. Однако на бензиновых двигателях подогрев необходим для обеспечения лучшего испарения топлива. При этом надо иметь в виду, что подогрев следует осуществлять только до тех пор, пока увеличение мощности двигателя из-за лучшего испарения смеси будет компенсировать снижение той же мощности вследствие уменьшения η _v. В дизелях иногда для увеличения наполнения цилиндров по массе свежий заряд воздуха наоборот охлаждают.

Сопротивление на впуске

Сопротивление поступлению в цилиндр свежего заряда в первую очередь зависит от сопротивления проходной щели впускного клапана, ее формы, шероховатости впускных клапанов и впускного трубопровода, сопротивления карбюратора и воздухоочистителя. Чем больше сопротивление, тем меньше давление конца наполнения р_а и тем меньше η _v. Поэтому подбор рациональной формы и специальная обработка впускного тракта позволяют увеличить η _v. Сопротивление впускных систем у дизелей и двигателей, оснащенных впрыском бензина, меньше, чем у карбюраторных двигателей в виду отсутствия сопротивления дроссельной заслонки.

Сопротивление на впуске в большей степени влияет на величину η _v,чем сопротивление на выпуске, так как сопротивление на выпуске зависит от величины остаточных газов. Поэтому в двигателях без наддува стремятся к увеличению диаметра впускного клапана и делают его несколько больше по сравнению с выпускным. Иногда делают по два впускных и два выпускных клапана, реже — два впускных и один выпускной.

В силу вышеперечисленных причин при эксплуатации нельзя допускать чрезмерного загрязнения воздухоочистителя, увеличения тепловых зазоров в приводе клапанов и значительный износ кулачков распределительного вала.