Модернизация ГБЦ для увеличения мощности и крутящего момента современного двигателя
(+ 1 распредвал ... Система изменения фаз газораспределения ... Система изменения высоты подъема клапана )
Содержание статьи:
- Газораспределение двигателя
- Требования к газораспределению при разных режимах работы двигателя
- Усредненный вариант настройки фаз газораспределения
- Варианты модернизации ГБЦ или как увеличить мощность двигателя
- Увеличение количества клапанов на цилиндр
- Коротко о SOHC и DOHC ... Сколько л.с. можно прибавить при установки ГБЦ с двумя распредвалами
- Коротко о AVCS и DUAL AVCS ... Сколько л.с. добавляет система изменения угла поворота распредвала
- Коротко о AVLS и I-AVLS ... Сколько кобылок добавляет система регулировки высоты подъема клапана
- Будущее : электропривод клапанов...
- Системы изменения фаз газораспределения у мировых автопроизводителей
- Выводы по системам увеличения эффективности газораспределения и увеличению КПД двигателя
Что такое газораспределение ... Что называют фазами газораспределения
Газораспределение в целом это организация процесса газообмена внутри двигателя. Задается газораспределительным механизмом двигателя и разделяется на технические и временные фазы заполнения рабочего объема цилиндра и отвод отработанных газов из него. Задает смену фаз газораспределения - механизм ГРМ ( ремень или цепь передающие вращение коленчатого вала - одному или нескольким распределительным валам ), обеспечивают сами фазы - впускные и выпускные клапана. А эффективность работы системы, заключается в своевременности, пропускной способности и продолжительности открытия клапанов.
Именно эффективность работы системы газораспределения двигателя, задает его мощность, крутящий момент, экономичность, ресурс и другие не маловажные характеристики силовой установки автомобиля. Именно от своевременности, эффективности и продолжительности открытия клапанов зависит КПД мотора, и второстепенно но не менее важно от качества топливно-воздушной смеси и момента ее воспламенения. Если с качеством исполнения и воспламенения топливно-воздушной смеси уже давно все известно, то варьирование фаз газораспределения и соответствующая конструктивная модернизация, не прекращает свой процесс совершенствования.
Уточним: Фаза газораспределения - это период от момента открытия клапанов до момента их закрытия. В современных двигателях фазы газораспределения выражаются градусами поворота коленчатого вала. По средствам ремня или цепи вращение коленчатого вала, передается соответствующему распределительному валу. Каждый клапан приводится в движение, соответствующим кулачком распределительного вала, именно форма и положение кулачка кулачка задает момент открытия и момент закрытия клапана, а так же высоту и длительность его подъема.
Что дает изменение фаз газораспределения:
В первую очередь стоит сказать, что разные режимы работы двигателя, требуют совершенно отличные друг от друга, моменты и продолжительность впуска и выпуска.
Характер поведения газов (топливно-воздушной смеси и отработанных газов) в цилиндре, а также во впускном и выпускном магистралях меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.
| Работа двигателя на холостом ходу или малых оборотах не требующих мощности от силовой установки: | ||
| Для такого режима работы ДВС уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз. | ||
|
|
||
| Работа двигателя на средних оборотах: | ||
| Работа двигателя на оборотах выше ХХ но не пике своей скорости и (или) мощности (на автомобиле такой режим работы двигателя может сопровождаться умеренной ездой не сопровождающейся резкими ускорениями, торможением двигателем или езды накатом): При увеличении оборотов двигателя от ХХ, коленчатый вал и соответственно распредвал (распредвалы) вращаются быстрее и период открытия клапанов становится меньше, однако количество пропускаемого воздуха через него не только не должно сокращаться но и для увеличения мощности должно увеличиваться. А сделать это можно если увеличить период максимального открытия клапана, это в свою очередь будет требовать увеличению фазы впуска и (или) фазы выпуска. Именно поэтому чем выше обороты двигателя, тем фазы впуска и выпуска будут приближаться друг к другу. | ||
|
Небольшая справка: Каждый цилиндр имеет свой объем, заполнение которого топливно-воздушной смесью выражает выдаваемая воспламенением энергия. Топливно-воздушная смесь готовится непосредственно в цилиндре или перед ним (Карбюратор или непосредственный впрыск (инжектора)), если карбюратор просто добавляет в проходящий сквозь него воздух - бензин (распыляя его), то инжектора управляемые компьютером распыляют в цилиндр ровно столько топлива чтобы в нутри получилась идеальная топливно воздушная смесь. То есть компьютер видит сколько воздуха прошло в цилиндр (мимо датчика во впускной коллектор) и относительно этого воздуха рассчитывает сколько топлива впрыснуть в этот объем воздуха. Идеальным соотношением воздуха и бензина является массовое: 14,7 кг воздуха на 1 кг топлива. Учитывая то, что поршень при движении от головки блока, создает эффект вакуума, тем самым засасывая воздух в цилиндр, компьютер будет считать количество топлива выданного форсункой именно относительно этого воздуха. Однако стоит сказать, что для готовой топливно-воздушной смеси нет разницы при каком давлении происходит ее воспламенение, результатом будет всегда максимальная отдача энергии топлива, топливо должно сгореть все а результат будет максимально экологичным (катализатор переработает и обезвредит). Варьирование давления топливно-воздушной смеси делает возможным применение турбин, когда в цилиндр возможно запихать объем топливно-воздушной смеси сильно превышающий его номинальный объем. Именно благодаря этому двигатели при помощи турбины или компрессора способны сильно увеличить свою мощность. Учитывая это стоит оговорить и обратную сторону присущую атмосферным двигателям - это разряженность воздуха в цилиндре, если время открытия клапана мало и его пропускная способность не велика, вакуумные явления создаваемые поршнем не способны заполнить весь объем цилиндра воздухом с атмосферным давлением. Другими словами, когда при одном и том же отрицательном давлении время всасывания уменьшается, наступит порог после которого масса воздуха в цилиндре по завершению фазы впуска начнет уменьшаться, таким образом - масса воздуха меньше, а значит меньше и топлива впрыскивается в цилиндр и соответственно энергии от сгорания топпливно-воздушной смеси - меньше. Для решения этой проблемы к настоящему моменту уже разработано несколько конструктивных решений. О них ниже... |
||
| Работа двигателя на высоких оборотах и пике необходимой мощности | ||
| Работа двигателя на высоких оборотах и в ситуации требуемой большой мощности, вводит требование большей пропускной способности клапана в единицу времени или увеличение времени его открытия, таким образом требуется перекрытие фаз впускных и выпускных клапанов. Это решение звучит чуть и не фантастично, но именно оно стало в основу для технического развития двигателей. | ||
|
|
||
Конструктивно усредненные фазы газораспределения...
Выше, перечислены три режима работы двигателя, каждый из которых в идеале потребовала бы свой график газораспределения, если для каждого режима предусмотреть свой распределительный вал, это означало бы неведомые конструктивные решения. Это исключено, намного более разумным вариантом - стала постройка некого усредненного графика работы и смена фаз газораспределения.
Усредненный вариант - это именно то, с чем сталкивался чуть ли не каждый автомобилист, потому что способы решения и конструктивной модернизации вошли в серию не так давно. Некоторые автопроизводители - раньше ,некоторые - позже, но большие плюсы регулировки фаз газораспределения, не оставят равнодушными никого.
Для начала рассмотрим двигатель со стандартной, не изменяемой системой изменения фаз газораспределения:
Такие двигателя чаще всего имеют один или два распредвала (появление второго распредвала и дополнительных клапанов на цилиндр - стало первым шагом к более точного, и более эффективному процессу газораспределению). Распределительные валы при помощи привода ГРМ (цепь или ремень, в архаичных двигателях - звездочки) жестко связаны с коленчатым валом. Клапана в таких двигателях приводятся в движение непосредственно кулачком распределительного вала или через коромысло.
Конструктивно, такие двигатели носят в системе газораспределения некоторое усредненное значения. Они конструируются для максимальной отдачи на оборотах при которых водитель будет ждать от двигателя максимальной мощности и отдачи. То есть мощность и высокие обороты (разгоны и тяговые усилия) с некоторым смещением в сторону наиболее часто используемых ( прямолинейное движение без резких ускорений. Например езда по трассам и магистралям, хотя на высоких скоростях двигателю нужны лошадиные силы ...). Большая мощность на холостом ходу никому не нужна, однако нужна мощность на высокой скорости и разгоне, что сопровождается увеличенными оборотами.
Именно по этому главные характеристики двигателя, такие как мощность и максимальный крутящий момент, всегда обозначаются только с оборотами двигателя.
|
Пример: Двигатель Subaru EJ253
|
|
|
Способы увеличения эффективности газораспределения...
Для начала разложим модернизация ГБЦ по времени, потому что описывать будем немного не в этой последовательности:
| 1. Увеличение колличества клапанов на цилиндр. | ||||||||||||
| Носит своей целью увеличение пропускаемых в цилинд и него - газов. Первые двигатели были спроектированны с 2 клапанами на цилиндр ( 1 впускной клапан / 1 выпускной ). Но такие двигатели были слабые и имели очень узктий интервал комфортных и мощностных оборотов двигателя. Автомобиестроение требовало увеличения пропускной способности клапанов, это было достигнуто, добавлением сначала одного выпускного клапана, котом 1 впускного. Так же были невероятные попытки построенияГБЦ с 5-ю, 6, 7 и даже и 8 клапанами на цилиндр, такие попытки не возъимели популярности. | ||||||||||||
|
||||||||||||
| 2. Добавление в головку блока цилиндров еще одного распределительного вала. SOHC -> DOHC | ||||||||||||
| Целью этого внедрения явлется более точное , более продуктивное и РАЗДЕЛЬНОЕ управление клапанами. Подробно о разницы двигателей с одним и двумя распредвалами можно прочесть в статье: SOHC -> DOHC | ||||||||||||
|
||||||||||||
| 3. Система активного изменения фаз газораспределения. AVCS (Active valve control system) | ||||||||||||
|
Целью разработки и внедрения этой системы стала потребность двигателя при разных режимах работы смещать в ту или иную сторону, открытие и зарытие клапанов. Мы уже описывали выше, что при увеличении оборотов и требуемой мощности фазы впуска и выпуска приблежаются друг к другу и даже перекрываются. Регулируемая звездочка, расположенная на коленчатом валу, передает крутящий момент от коленчатого вала - распределительному. Однако в зависимости от оборотов и соленоида (под под управлением ЭБУ или (и) по средствам давления масла) она способна изменять угол своего наклона относительно распределительного вала. Тем самым клапана управляемые кулачками распредвала способны открываться и закрываться как раньше , так и позже относительно усредненного, заданного коленвалом.
|
||||||||||||
|
||||||||||||
| 4. Активная система изменения высоты подъема клапана. AVLS (Active valve lift system) и I-AVLS (I-Active Valve Lift System) | ||||||||||||
|
Вариант с 4-мя клапанами на цилиндр стал оптимальным и очень на долгое время устроил ведущих автопроизводителей. На дого, но не навсегда, желание автоконструкторов увеоичить КПД двигателя, соответствовать экологическим нормам, увеличить мощность с каждого литра объема двигателя, привели автоконструкторов снова к необходимости дальшеййшего увеличению пропускной способности клапанов, желательно что бы на ХХ двигатель и топлива не ел, и мощность ему не нужна, а вот когда надо, то и пропускная способность вырастала и мощность увеличивалась и итогом всех разработок стала: система активного подъема клапана. Целью разработки и внедрения этой системы стала та же необходимость корректировки пропускной способности клапана непосредственно в процессе работы двигателя и когда это необходимо. Данная система способна не только корректировать высоту подъема клапана тем самым увеличивая его пропускную способность и и корректировать сами фазы газораспределения изменяя время и продолжительность открытия клапана. Если коротко, то при том что каждый распределительный вал управляет несколькими клапанами на цилиндр, один из них работает по кулачку умеличенной производительности, другой (в некоторых двигателях их несколько) работает от кудлачку меньшего профиля. При необходимости , клапан работаеющий на меньшем кулачке жестко фиксирыется на клапане, работающем по кулачку с большим профилем, тем самым, оба клапана начаинают работать по большему кулачку, увеличивая общую пропускную способность в цилиндр и из него, при этом увеливая мощность и крутящий момент двигателя. В SUBARU эта система получила название AVLS (Active valve lift system) и I-AVLS (I-Active Valve Lift System) |
||||||||||||
|
||||||||||||
| Идиальное соотношения колличества клапанов к простате констукции достигает максимума своей пропускной способности и эффективности, все ограничивается механикой, это и грим ираспредвалы и кулачки. Выйти за рамки механических рамок сможет система электронного привода клапанов. она сможет не только идиально выстраивать фазы газораспределения, но и избавит двигатель от большого числаподвижных частей и механзмов, таких как механихм ГРМ, распредвалы и звездочки. Так же неотемлимым плюсом электронного управления клапанами станет и варьировпнный подход к высоте подема клапана. В итоге элетронный привод клапанов сможет воплатить в себя все нароботки механических систем и довести их до идиала при любой скорости вращения двигателя. | ||||||||||||
Варианты систем изменения фаз газораспределения и регулирования хода клапана, применяемых различными производителями автомобилей (список неполный)
| Производитель автомобиля | Применяемые системы изменения фаз газораспределения |
| Subaru | AVLS (Active valve lift system) I-AVLS (I-Active Valve Lift System) AVCS (Active valve control system) |
| Toyota, Lexus | VVT (Variable Valve Timing); VVT-i (Variable Valve Timing and Lift intelligent system); DVVT-i (Dual Variable Valve Timing with intelligence); VVT-iE (Variable Valve Timing — intelligent by Electric motor); Valvematic |
| Alfa Romeo, Citro?n, Geely, Hyundai, Iran Khodro, Kia, Lada, Peugeot, Renault, Volvo | CVVT (Continuous Variable Valve Timing) |
| Audi | Valvelift (Variable valve lift) |
| BMV | Vanos (нем. Variable Nockenwellensteuerung) |
| Chrysler, General Motors, Proton, Suzuki, Volkswagen Group | VVT (Variable Valve Timing) |
| Daihatsu, Perodua | DVVT (Dynamic Variable Valve Timing) |
| Ford, Yamaha | VCT (Variable Cam Timing) |
| General Motors | DCVCP (Dual Continuous Variable Cam Phasing) |
| Great Wall Motor | CVVL (Continuous Variable Valve Lift) |
| Honda, Acura | i-VTEC (Intelligence Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) |
| Hyundai, Kia | VTVT (Variable Timing Valve Train) |
| Mazda | S-VT (Sequential Valve Timing) |
| MG Rover | VVC (Variable Valve Control) |
| Mitsubishi | MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system) |
| Nissan, Infiniti | VVL (Nissan Ecology Oriented Variable Valve Lift and Timing) N-VCT (Nissan Variable Cam Timing) N-VTCS (Nissan Valve Timing Control System) VVEL (Nissan Variable Valve Event and Lift) CVTCS (Continuous Variable Valve Timing Control) |
| Porsche | Vario Cam |
В целом, количество добавленных лошадиных сил и Ньютон метров от любого внедрения в процесс газораспределения, имеет очень большой разброс. Мощность прибавляется в зависимости от объема двигателя и его первоначальной мощности, так же учитывая то, к моменту необходимости модернизации газораспределения, двигатель уже накапливает некоторое количество необходимых при рестайле модернихация. Все добавленнеы при этом кобылки нельзя считать достижением лишь усовершенствованной системы газораспределения. Если же всетаки говорить о цифрах, то можно взять срез двигателей объемом 2 литра у различных автопроизводителей.
И так, только 2 литра и только японские автопроизводители:
- Увеличение колличества клапанов до 4 штук на цилиндр способно добавить двигателю 6-8 л.с.
- Внедрение в ГБЦ дополнительного распредвала способно добавить двигателю 6-10 л.с. Но главным плюсом этого внедрения является ориентация двигателя на более широкий спектр оборотов и более эффективную работу.
- Внедрение в системы изменения фаз газораспределения, в первую очередь увеличивает мощностной спектр оборотов двигателя. Теперь двигатель может работать комфортно как на холостых оборотах так и при высоких оборатах. Если отобразить это в цифрах то такая модернизация способна добавить так же порядком 6 лашадиных сил.
- Внедрение системы активного изменения высоты подъема клапана . Эта система какраз наиболее всего способствует прибавки мощности и это по мимо того, что и она увеличивает диапозон комфортных двигателюоборотов. Ситсема Active valve lift system способна добавить двигателю до 14 л.с.
Подведем итоги: если суммировать все системы, то максимальная приавка составит около 40 л.с. Но.... Стоит отметить что внедрение системы активного изменения высоты подъема клапана, способна частично заместить звездочку системы изменения фаз газораспредедения. У Субару есть двигатели со звездочками AVCS на обоих распредвалах, и двигатели причем более поздние с одной звездой AVCS и системой AVLS. Этот процесс и разработки и замещения сейчас в самом разгаре, и какая конфигурация окажется наиболее эффективной, пока одназначно не определено.
И конечно же стоит сказать о возможном будущем с электронным управлением клапанами: если автоконстукторы все же смогут создать такой привод клапана, такая система разом заменит все наработанные механические средства газораспределения, основной из проблем, и причин почему еще такая система не создана, это то что скорость и необходимая высота подъема клапана довольно велики и воплатить эти значения в электро-механических проборах, на сегоднешний день очень и очен проблематично.
