Меню

В чем заключается тюнинг газораспределительного механизма

VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2015

МОДЕРНИЗАЦИЯ ГРМ ДВС ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

В практике автомобилестроения и в частности, например, в конструкции ДВС легковых автомобилей различных моделей Москвич и Жигули (рис.1) нашли широкое применение различные по устройству газораспределительные механизмы (ГРМ) [1,2]

Так, ГРМ ДВС автомобиля «Москвич – 2140» состоит из клапанов, которые приводятся в движение коромыслами, взаимодействующими с кулачками распределительного вала приводимого в движение втулочной цепью от коленчатого вала двигателя. Несмотря на свою эффективность использования такой газораспределительный механизм обладает следующими существенными недостатками: во-первых он сложен по конструкции и во-вторых имеет низкую надежностью клапанов, так как в случае отказа цепной передачи, последние начинают

взаимодействовать с поршнями за счет заклинивания распределительным валом коромысел.

В этом случае происходит потеря устойчивости стержней клапанов и поэтому в дальнейшем двигателю требуется дорогостоящий ремонт.

У двигателя автомобиля ВАЗ–2108 газораспределительный механизм более прост по конструкции, за счет исключения из него коромысел, однако наличие зубчатого ремня привода распределительного вала и возможного его отказа в процессе эксплуатации недостаток, указанный для ДВС автомобиля Москвич – 2140, присущ и этому типу двигателей.

Учитывая актуальность проблемы, в части совершенствования конструкции ГРМ для ДВС используемых в различных моделей как легковых, так и грузовых автомобилей, в ЕГУ им. И.А.Бунина на кафедре прикладной механики и инженерной графики на протяжении ряда лет проводится бюджетная НИР на тему «Динамика, прочность и надёжность транспортных, строительно-дорожных и сельскохозяйственных машин, а также стандартного промышленного и нестандартного оборудования используемого в Чернозёмном регионе Российской федерации» и одним из её разделов является направление, связанное с совершенствованием конструкции ДВС применяемых в различной транспортной технике и созданных на уровне изобретений.

Анализ многочисленных библиографических источников, а также отечественных и зарубежных патентов позволил разработать на уровне изобретения (RU2500896) перспективную конструкцию газораспределительного механизма для ДВС обладающего повышенной эффективностью использования в сравнении с известными техническими решениями.

Так на рис.2 показан газораспределительный механизм в разрезе поперечной вертикальной плоскостью, на рис.3 его кинематическая схема вид по стрелке А фиг.1, на рис.4 деталь сопряжения коромысла и стержня клапана и на рис. 5 тот же узел но в перспективе.

Газораспределительный механизм состоит из головки цилиндров 1 присоединённой к блоку цилиндров 2 . В головке цилиндров 1 выполнен впускной трубопровод 3 и выпускной трубопровод 4, а также в направляющих в втулках 5 впускной клапан 6 и выпускной клапан 7. Впускной клапан 6 и выпускной клапан 7 на своих стержнях 8 и 9 снабжены сферической формы выступами 10, которые подвижно расположены в корпусах чашеобразной формы 11, имеющие канавки 12 для размещения в них замков 13. Корпуса чашеобразной формы 11 жестко закреплены на коромыслах 14 и 15 расположенных с возможностью угловых поворотов совместно с упругими осями 16 снабжённых шлицами 17. Упругие оси 16 установлены в опорах 18 также с помощью шлицев 19. Коромысла 14 и 15 контактируют с кулачками 20 жестко закреплёнными на распределительном валу 21 подвижно установленным в головке цилиндров 1. Привод распределительного вала 21 осуществляется цепной передачей 22 от коленчатого вала ДВС, которых на чертежах не показан.

Работает газораспределительный механизм ДВС следующим образом. При работе ДВС под действием вращающего момента его коленчатого вала (на рисунках он не показан), последний, через цепную передачу 22 , передает его на распределительный вал 21, который за счет наличия на нем кулачков 20 приводит в действие коромысла 14 и 15 производящие открытие или закрытие впускного 6 и выпускного 7 клапанов газораспределительного механизма. Рассмотрим подробнее работу, например, впускного клапана 6 (см. рис.2 и рис.3) расположенного первым слева в нижней части рис.3. В этом случае кулачок 20 распределительного вала 21 расположенный также слева (рис.3) набегает на коромысло 14 и упруго закручивает на определённый угол его упругую ось 16, которая может быть выполнена, например, из пружинной стали 60С2А по ГОСТ 14959-7. Такая угловая деформация упругой оси 16 происходит за счет её заделки в шлицах 17 и 19 расположенных на последней и опорах 18 головки цилиндров 1 (см. участок l рис.3). Это позволяет переместить впускной клапан 6 в направлении стрелки А (см. рис.2) , что в итоге обеспечивает проход рабочей смеси из впускного трубопровода 3 в цилиндр 23 блока цилиндров 2 по стрелке В. Следует отметить, что описанная конструкция упругой оси 16, один из концов которых, например, защемлен, широко известна практике и называется торсионом, и используется в рессорном подвешивании локомотивов. После того как указанный кулачок 20 прекратит воздействие на коромысло 14, последнее под действием упругих сил, вызвавших закрутку его упругой оси 16 , возвращается в исходное положение такое, как это показано на рис.2 при этом, одновременно в это же положение переходит и клапан 6, так как он с помощью кинематической пары образованной сферической формы выступом 10 и корпусам чашеобразной формы 11, связанных между собой замком 13, являются целым конструкционным элементом. Подобным образом работает и всё другие впускные клапаны 6. Работа же выпускных клапанов 7 также заключается в перемещении их по стрелке С коромыслом 15 , что способствует так же упругой закрутке его оси 16 , но на участке l1 (см. рис.3), что позволяет отработанным газам поступать из цилиндра 23 в выпускной трубопровод 4 по стрелкам Е. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Читайте также:  Как сделать чип тюнинг своими руками vag

Технико-экономическое преимущество предложенного технического решения в сравнении с известными, очевидно, так как оно более простое по конструкции и исключает использование пружин сжатия применяемых при закрытии клапанов.

Приведем пример численного расчета геометрических и кинематических параметров одного из участков упругой оси 16 (рис.2 и рис.3) выполненного в следующей последовательности. Исходя из того, что, например, в серийной конструкции ДВС автомобиля ВАЗ-2108 пружинный комплект одного клапана управления коромыслом расположенном на оси упруго деформируется в статике при прогибе f = 36 мм усилием N = 800,0 Н и имеет жёсткость С = 2,56кг/мм. Известно, что, рабочая нагрузка Nд (динамическая) при работе ДВС не превышает 0,25% от статической нагрузки, т.е. в данном случае 200 Н. Тогда суммарная нагрузка на пружину, а, следовательно, и на коромысло управления клапаном составит NΣ= NCT+ Nд = 800,0 + 200 = 1000 Н. В этом случае момент, приложенный к упругой оси (позиция 16 рис.1), будет равен Мкр = NΣl1 = 1000·0,05 = 50 Н·м, где l1 = 0,05 м длина плеча коромысла. Следует также отметить, что упругая ось должна быть выполнена полой, так как полый канал служит для прохода смазки к её опорам, и тогда наружный диаметр упругой оси кольцевого сечения будет равен:

где: [τ] = 400МПа согласно ГОСТ 14959-79 напряжение соответствующее материалу сталь 65С2ВА;

l1— длина консоли коромысла, принята равной 50мм;

Окончательно примем наружный диаметр полой упругой оси равным 15,0 мм, а внутренний диаметр 4,0 мм.

Исходя из конструктивных соображений зададимся длиной рабочих частей пустотелой упругой оси находящихся между коромыслом 15 и опорой 18 (рис.3) l = 60мм и тогда угол закручивания участка оси при статическом её нагружении составит:

Проверим торсион по условию прочности на кручение по зависимости:

Следовательно, прочность оси обеспечена так как τ ≤ [τ].

Теперь определим перемещение коромысла, а, следовательно, и от действия статической нагрузки приложенной к полой упругой оси по формуле:

Как было отмечено выше, что когда ДВС находится в рабочем режиме к клапану от коромысла ещё передаётся и дополнительная динамическая нагрузка = 200 Н и тогда угол закручивания упругой полой оси в этом случае составит:

а перемещение коромысла от такого динамического нагружения будут:

В итоге перемещение клапана от воздействия на него коромысла закреплённого на упругой полой оси составит ΔΣ = 19,0 + 3,14 = 22,14 мм.

Для автоматизации расчётов с применением ЭВМ, разработана программа с использованием языка Delphi позволяющая проектировать предложенное техническое решение для других типов и моделей двух и четырёхтактных ДВС.

Результаты исследования рекомендуются отечественным и зарубежным научным и производственным структурам проектирующим, изготавливающим и модернизирующим различные по назначению двухтактные и четырёхтактные ДВС для возможного внедрения перспективного газораспределительного механизма в практику.

1. Глаголев Н.М. и др. Тепловозные двигатели и газовые турбины. Трансжелдориздат. Москва. 1957.-460с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей/Под.ред. А.С. Орлина и М.Т. Круглова.- М.: Машиностроение. 1990.- 288с.

3. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания./ Б.Х. Дроганов., М.Г. Круглов, В.С. Обухова – К.: Вищашк. Головное Изд-во, 1987. -195с.

Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие, В 2-х кн. Кн 2. Под ред. П.Н. Усачёва.- 3-е изд., исправл. – М.: Машиностроение, 1988.-544с.

6. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчёт упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение 1980. – 326с

Источник

Тюнинг распредвала

Определение:
Распределительный вал — основная деталь газораспределительного механизма (ГРМ), служащего для синхронизации впуска/выпуска и тактов работы двигателя.
В современных автомобильных двигателях, как правило, расположен в верхней части головки блока цилиндров и соединён со шкивом или зубчатой звёздочкой коленвала ремнём или цепью ГРМ соответственно и вращается с вдвое меньшей частотой, чем последний (на 4-тактных двигателях). В прошлом была широко распространена схема с нижним расположение распределительного вала. Составной частью распредвала являются его кулачки, количество которых соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя. Таким образом, каждому клапану соответствует индивидуальный кулачок, который и открывает клапан, набегая на рычаг толкателя клапана. Когда кулачок «сбегает» с рычага, клапан закрывается под действием мощной возвратной пружины.

Читайте также:  Тюнинг тойота витц 1999 2005 своими руками

Отличие по количеству:

Dohs— два распердвала, количество клапанов в два раза больше, а следовательно увелечение мощности двигателя.

Стандартный распредвал сочетает в себе максимальную мощность, ровность работы двигателя на низких и холостых оборотах и низкий выброс токсичных отработавших газов.

Спортивные распредвалы увеличивают подъем клапанов и время их открытия. Это улучшает наполнение цилиндров на средних и высоких оборотах, где двигатель в результате получает максимальную прибавку по мощности. На низких оборотах из за неизбежного смешивания впускных и выпускных газов работа двигателя становиться менее стабильной.

Максимальная мощность двигателя и форма графика мощности зависят от распредвала больше, чем от остальных элементов двигателя.

Впуск
В идеальном режиме, когда поршень движется вниз в цикле всасывания, впускной клапан открывается, пропуская в цилиндр топливовоздушную смесь, и закрывается после заполнения цилиндра. Учитывая, что фаза и «длительность» работы кулачка являются фиксированными, они будут идеальными лишь при определенной частоте вращения коленвала и, возможно, лишь при единственном положении дроссельной заслонки. Это то, чего многие не понимают. При разных оборотах двигателя клапан будет закрываться либо с опозданием, и тогда смесь, заполнившая цилиндр, начнет выходить обратно, либо раньше времени, до того, как смесь заполнит цилиндр до конца. Поэтому, в реальности, все распредвалы работают в компромиссном режиме. Если мы хотим получить от распредвала выигрыш только в мощности, то это произойдет за счет качества работы на холостых оборотах и крутящего момента в режиме рабочего диапазона.

Начнем с начала. Период, в течение которого впускной клапан открыт, назовем термином «продолжительность». Продолжительность выражается в градусах поворота коленчатого вала. При работе стандартного распредвала клапан начинает открываться при «недовороте» коленвала 5-10 градусов до ВМТ (верхняя мертвая точка). Стандартный распредвал открывает клапан плавно — для уменьшения износа и снижения шума. Далее клапан достигает верхней точки и, наконец, закрывается примерно при 20 градусах после НМТ (нижняя мертвая точка). Этот период времени называют «продолжительностью работы кулачка». Обычно он составляет 200 – 220 градусов поворота коленчатого вала. Многие мотористы первым делом стараются увеличить продолжительность работы кулачка. Как правило, большая продолжительность позволяет двигателю развить большую мощность на повышенных оборотах. У высокопроизводительных распредвалов продолжительность работы кулачков может составлять от 250 до 320 градусов, а на гоночных двигателях — и более. Однако, само по себе это число пока еще ни о чем не говорит. Кулачок, например, может иметь очень пологие траектории подъема и опускания, тогда выигрыш в увеличении общей зоны открытия под клапаном, по сравнению со стандартным кулачком, получится небольшим. В то же время, кулачок с такой же продолжительностью, но с крутыми профилями будет обеспечивать очень быстрое открытие и закрытие, что придаст двигателю совершенно иные характеристики.

Подъем клапана
У стандартного распредвала для легковых машин кулачок поднимает клапан на 9,6 мм, в то время как у спортивных двигателей эта цифра может доходить до 13,2 мм. Цифры, характеризующие высоту открытия клапана, часто производят впечатление — люди инстинктивно полагают, что чрезмерное увеличение высоты подъема дает большую мощность, хотя, это не совсем так. Иногда высоту подъема увеличивают для того, чтобы увеличить время «зависания» клапана в точке максимального подъема. Один из способов получения выигрыша по времени без увеличения продолжительности состоит в поднятии клапана на большую высоту.

С помощью испытательного стенда можно определить, в какой момент поток смеси через систему клапан — седло начинает убывать. После этого момента нет смысла открывать клапан дальше — это не даст выигрыша в мощности. Смысл быстрого открывания клапана, или «ускорения клапана», заключается в том, что само движение клапана используется для создания во впускном коллекторе разрежения — «импульса». Именно благодаря этому процессу мощность двигателя начинает зависеть от конструкции распредвала, так как этот импульс влияет на частоту вращения, что и приводит к увеличению мощности.

Читайте также:  Чип тюнинг про не видит адаптер

Выпуск
Выпускной кулачок должен открывать клапан достаточно рано, чтобы цилиндр успел очиститься от продуктов сгорания. При позднем открытии оставшиеся в цилиндре не сгоревшие газы будут смешиваться с поступающей свежей смесью; раннее открытие может существенно снизить мощность рабочего хода, так как давление, толкающее поршень вниз, будет сбрасываться через выпускной канал. Тоже и при закрытии: если закрыть клапан слишком рано, то отработанные газы не успеют выйти, а если слишком поздно, то входящая порция смеси будет вытолкнута в выхлоп вместе со сгоревшими газами. Такое может происходить потому, что в момент прохода поршня через ВМТ при переходе от такта выпуска к такту впуска впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Это называется «перекрытием клапанов». Этот «перелив» из впускного канала в выпускной может дать двигателю несколько преимуществ. Во-первых, выхлопные газы, выходящие из цилиндра могут быть использованы для создания вакуума — нечто подобное происходит при выдергивании пробки из бутылки. Это будет помогать опускающемуся поршню втягивать в цилиндр свежую смесь. Во-вторых, выхлопную систему можно настроить так, что свежая смесь, переливающаяся в выпускной канал, будут втягиваться обратно в камеру сгорания перед самым закрытием выпускного клапана. Решающим обстоятельством является здесь не продолжительность перекрытия (выражаемая в градусах поворота коленчатого вала), а то, насколько высоко поднимаются клапаны в верхней мертвой точке. При стандартном распредвале высота подъема обоих клапанов в верхней мертвой точке может доходить до 0,76 мм, в то время, как для гоночных автомобилей эта величина достигает 5 мм. В целом, чем больше подъем клапанов при перекрытии, тем при больших оборотах двигатель достигает максимальной мощности, и тем хуже распределение мощности. Здесь уже возникает проблема зазора между клапанами и поршнем. При чрезмерно больших кулачках, дающих высокий подъем клапанов в фазе перекрытия, приходится делать в поршнях специальные углубления — «карманы», чтобы исключить столкновение поршня с клапанами к верхней мертвой точке.

Синхронизация распредвала
Может оказаться, что при одинаковом подъеме обоих клапанов в момент перекрытия модифицированный распредвал не дает максимальной эффективности. С помощью специального регулировочного шкива (его часто называют шкивом Верньера) можно выставить распредвал на «опережение», тогда в верхней мертвой точке впускной клапан будет подниматься больше, чем выпускной. Установка распредвала на «запаздывание» даст нам больший подъем выпускного клапана, чем впускного. Именно соотношение между подъемом двух клапанов в верхней мертвой точке и определяет эффективность работы распредвала. Теоретически, опережение распредвала будет смещать пик мощности вниз по диапазону оборотов, а отставание будет давать противоположный эффект. У некоторых двигателей, например Rover Мini и Ford, наилучшие результаты достигаются с опережающим распредвалом. Степень опережения выражается в градусах поворота коленвала, которое необходимо для полного открытия впускного клапана.

Продолжительность перекрытия в значительной степени определяется углом между выступами «впускного» и «выпускного» кулачков (этот угол называется «центральным углом кулачков»). Для распредвала с одинаковым подъемом клапанов в верхней мертвой точке этот угол составляет 110 градусов. Если вы выставите такой распредвал так, чтобы на 110 градусах он обеспечивал полное открытие впускного клапана, то обнаружите, что в момент перекрытия в верхней мертвой точке оба клапана открыты одинаково. Для обеспечения «опережающей» работы этого распредвала необходимо добиться полного открытия раньше, например, на 105 градусах.

Из вышеизложенного следует, что опережение распредвала можно регулировать, измеряя подъем клапанов в момент перекрытия в верхней мертвой точке. Независимо от того, какой это распредвал и на каком двигателе он стоит, одинаковый подъем клапанов в ВМТ будет иметь место при том угле поворота, на который развернуты друг относительно друга (в результате шлифовки) кулачки распредвала — обычно, 110 градусов. Можно выставить распредвал на опережение, но не следует его доводить до того, чтобы подъем выпускного клапана составлял меньше 66 процентов (2/3) от подъема впускного клапана. Например, если подъем впускного клапана — 3.8 мм, то подъем выпускного клапана — 2.5 мм. Распредвалы и их синхронизация — это очень сложная тема, доверять ее можно только профессионалам.

Нельзя забывать:
Увеличение мощности двигателя, в большинстве своём, уменьшает ресурс двигателя(в том числе и тюнинг распредвала) и уменьшает комфортность езды(перебойная работа двигателя на холостых и малых оборотах, появляются рывки, увеличивается громкость работы двигателя)

Источник

Adblock
detector