Механизмы регулирования фаз

Первый вариант -это смещение фаз газораспределения. Это самый дешевый и простой способ, в тоже время самый надежный, не требующий кардинального вмешательства в конструкцию двигателя прототипа (возможно сохранение штатных распределительных валов). Данный способ можно осуществить при наличии двух распределительных валов- один вал впускной, а другой выпускной- с неизменяемыми профилями кулачков при их взаимном угловом смещении. В этом случае при неизменном время- сечении изменяются углы предварения открытия и запаздывания закрытия клапанов, а также угол перекрытия впускных и выпускных клапанов.

Недостатками такого двигателя является увеличение продольных размеров двигателя, что крайне нежелательно, особенно при поперечном расположении двигателя. На практике такой мотор требует увеличения подкапотного пространства, что не всегда возможно на серийных автомобилях.

К этим механизмам можно отнести:

Двухпозиционный винтовой механизм со шлицевым поршнем на распределительном валу

На (рис. 4.15) приведен эскизный чертеж такого механизма. Он состоит из шлицевого поршня 1 с возвратной пружиной, смонтированных на переднем конце впускного распределительного вала, и электромагнитного клапана, установленного в передней крышке двигателя на выходе масляного канала из распределительного вала.

Рис. 4.15. Способы изменения фаз газораспределения:

а – муфта со спиральными шлицами; б – роторный механизм: 1 - шлицевой вал; 2 – звездочка привода распределительного вала; 3 – механизм сервопривода; 4 – распределительный вал; 5 – ротор; 6 – корпус ротора

На малых оборотах при полностью открытой дроссельной заслонке электромагнитный клапан по команде электронного блока управления перекрывает масляный клапан, повышая давление масла на шлицевой поршень. Поршень перемещается в осевом направлении и поворачивает одновременно распределительный вал, относительно звездочки привода распределительного вала, соединенной неподвижно с корпусом, в сторону опережения открытия клапана на 10-15 град. На больших оборотах полной и переменных нагрузок электромагнитный клапан открывает масляный канал, давление масла на поршень уменьшается и возвратная пружина возвращает его и распределительный вал в исходную позицию. Масло при этом вытекает в поддон картера. При этом достигается увеличение запаздывания угла закрытия впускного клапана и увеличение наполнения цилиндров за счет инерционного потока.

Роторный механизм

Данный механизм состоит из двух основных частей- это ротор и корпус. Ротор при помощи бота жестко связан с распределительным валом, а корпус зубчатым ремнем (цепью) с коленчатым валом. При подаче масла в объем А распределительный вал поворачивается по часовой стрелке (в этом случае впускной клапан открывается раньше), а при подаче масла в полость Б против (в этом случае впускной клапан открывается позже).

Управление подачей масла электромагнитный клапан по сигналу микропроцессора. Его основные элементы это золотник и втулка. Золотник может перемещаться в осевом направлении. При подаче напряжения он под действием электромагнитной силы перемещается влево, тем самым открывается канал для подачи в полость А. при отсутствии напряжения золотник под действием пружины перемещается вправо, тем самым открывается канал для подачи в полость Б. Для герметизации объемов на зубьях ротора сделаны пазы, в которые установлены пластиковые уплотнительные пластины. Для удержания ротора в неподвижном состоянии при низком давлении масла в системе предусмотрен специальный фиксатор, связывающий между собой ротор и корпус.

Управляет работой электромагнитного клапана микропроцессор на основании сигналов о частоте вращения коленчатого вала, о расходе воздуха через двигатель, о положении дроссельной заслонки и т. д.

Механизм регулирования фаз натяжением цепи

В приводе распределительного вала имеются два башмака (рис. 4.16), один - на ненатянутой (набегающей) стороне, а другой - на натянутой (сбегающей) стороне цепи. Башмаки могут перемещаться поперек цепи под действием изменения гидравлического давления в механизме ее привода. Перемещение башмака изменяет натяжение цепи и вызывает изменение фазового угла между коленчатым и распределительным валами.

а)	б)

Рис. 4.16. Механизм регулирования фаз натяжением цепи:

а) – схема работы механизма; А – подвод масла для перемещения башмака вниз; Б – подвод масла для перемещения башмака вверх; С – подвод масла из системы смазки; Н – подвод масла для натяжения цепи;

б) – вид на привод

Управление осуществляется электромагнитным клапаном по сигналу микропроцессора. Клапан направляет масло либо в объем А, либо в объем Б, вызывая соответствующее перемещение башмака.

Механизмы регулирования фаз и продолжительности открытия.

Основным недостатком механизмов изменения только фаз газораспределения яв­ляется необходимость компромисса между контролем момента закрытия впуск­ного клапана (для повышения крутящего момента) и продолжительностью пе­рекрытия клапанов (для снижения токсичности и улучшения стабильности холостого хода) в диапазоне малых и средних чисел оборотов. Регулирова­ние фаз и одновременно продолжительности открытия впускного клапана позволяет разре­шить это противоречие. Кроме того такой способ регулирования в ряде вари­антов предоставляет возможность контролировать нагрузку без дросселя ме­тодом. позднего закрытия впускного клапана.

Механизм с двойным кулачком

Рис. 4.17. Механизм с двойным кулачком

На рис. 4.17 изображена схема регулирования движения клапана с двумя соосными параллельно работающими кулачками. В этом случае для привода клапана применяются вместо одного сразу два кулачка, которые имеют одинаковый профиль и ширину рав­ную половине ширины обычного кулачка. Один из этих кулачков жестко зак­реплен на внешнем распределительном валу, а другой - подвижный, на внут­реннем шестигранном валу, ось которого совпадает с осью внешнего вала. Исполнительный механизм был применен электромеханический привод состоящий из планетарного механизма с передаточным отношением 160: I, управляющего электродвигателя, контролируемого электронным блоком управления, и индикатора фаз газораспределения для обратной связи. Он расположен на конце внутреннего шестигранного вала и позволяет изменять фазовый угол подвижного кулачка относительно фиксированного кулачка, ко­торый приводится шкивом или звездочкой от коленчатого вала. В результате смещения подвижного кулачка изменяется фаза закрытия и общая продолжи­тельность открытия впускного клапана.

 

Механизмы регулирования фаз, подъема и продолжительности открытия.

Наиболее гибкое регулирование движения клапана обеспечивают механиз­мы, которые позволяют варьировать подъемом, продолжительностью и фазами. Вместе с тем в большинстве механизмов подъем, продолжительно­сть и фазы взаимосвязаны и не могут регулироваться независимо вследствие ограничений, накладываемых кинематическими и динамическими характеристи­ками системы. Известны несколько способов регулирования прошедших экспе­риментальную проверку. Из них сегодня на серийно выпускаемых двигателях применяется только один - с двумя фиксированными профилями кулачков для низких и высоких оборотов. и толкателем для уменьшения износа и контактных напряжений. Отмечается ряд систем, в которых между кулачком и толкателем имеется точечный контакт, что неприемлемо с точки зрения долговечности. В некоторых конструкциях линейный контакт был обеспечен за счет применения толкателя с ка­чающейся шайбой. Для этого качающаяся шайба устанавливается в цилиндрическое седло, которое позволяет ей поворачиваться относительно оси перпендикулярной оси распределительного вала.

Трехмерный кулачек

Рис. 4.18. Трехмерный кулачек

На рис. 4.18 приведен эскиз механизма регулирования с трехмерным кулачком, профиль которого непрерывно изменяется в направлении оси распределительного вала, изменяя подъем, продолжитель­ность и фазы клапана. Одной из проблем при разработке механизма с трехмерным кулачком является обеспечение линейного контакта между кулачком. Система обеспечивается осевым перемещением распределительного вала с помощью гидравлического актюатора. Для привода применен гидравлический актюатор, который обеспечивал как осевое перемещение впускного распределительного вала; так и поворот его на 10° п.к.в. Эта система позволяла изменять подъем клапана при увели­чении оборотов на 2,4 мм с 6,75 до 9,15 1.1м и продолжительность открытая на 50°пкв с 230 до 280°пкв, в том числе задержку закрытия впускного на 35°п.к.в. (из них 25° п.к.в. обусловлено геометрией трехмерного кулачка).

Основными достоинствами механизмов с 3-мерным кулачком является их относительная простота и то, что элементы геометрии профиля кулачка, определяющие скорость посадки клапана, ускорения на вершине кулачка и, в конечном счете, нагрузку на клапанный привод находятся в руках конструктора. Недостатком является ограниченный диапазон регулирования.

Механизм с тремя кулачками

В данной конструкции на каждую пару клапанов работают три кулачка, два одинаковых низкооборотных, расположенный по краям (работают вместе), и один высокооборотный в центре. Эти два типа кулачков работают по разным законам, так как имеют разные профили. Крайние, более «мягкие», имеют меньшие размеры, работая, открывают и закрывают клапана оптимально для низкочастотного режима, то есть открытии происходит в практически ВМТ, а закрытие в НМТ. Центральный кулачек большего размера, позволяет открыть клапана раньше ВМТ, а закрыть позже НМТ для улучшения наполнения и очистки камеры сгорания на высоких оборотах.

Технически работа системы изменения фаз газораспределения и высоты подъема клапанов осуществляется так: на валу с каналом маслоподачи установлены три рокера. В левом рокере есть небольшой масляный канал, который соединяет полость внутри рокера и масляного канала в валу. Также в нем расположен поршень. В центральном рокере также установлен поршень такого же диаметра, как и в левом. В правом рокере вместо поршня установлен толкатель с пружиной. На клапана непосредственно воздействуют только крайние рокеры, а на центральном установлена пружина, которая притягивает его к центральному кулачку. При работе на низких частотах работают крайние кулачки, которые перемещают только крайние рокеры. Когда обороты повышаются до 5000 об/мин с ЭБУ подуется сигнал на электромагнитный клапан, который открывается и масло пот давлением подается через канал в левом рокере и давит на поршень, он в свою очередь давит на поршень в центральном рокере, который преодолевая усилие пружины перемещается вправо. Теперь все три рокера работают как один, и в следствии того что, центральный кулачек большего размера, они подчиняются ему.

а	б в

 

Рис. 4.19. Механизм с тремя кулачками:

а) – внешний вид механизма; б) – привод клапанов от маленьких кулачков;

в) – привод клапанов от большого кулачка

При понижении оборотов происходит обратное: электромагнитный клапан закрывается, давление масла падает и пружина толкает толкатель вместе с поршнями обратно и вступают в работу крайние кулачки. При этом центральный кулачек крутится впустую.

Средний рокер оборудован специальной пружиной, которая обеспечивает постоянный контакт кулачка с рокером на низких и средних оборотах. При работе двигателя на малых оборотах рокера не заблокированы и каждый из них совершает независимое движение по закону описываемому соответствующим кулачком. При этом средний кулачок хотя и вращается вместе с остальными, но в работе газораспределительного механизма участия не принимает. Как только двигатель перейдет на режим высоких оборотов, электронный "мозг" системы отдаст команду на исполняющее устройство, в результате давление масла заставит поршеньки в рокерах начать перемещаться, что приведет к блокировке последних. Таким образом, все элементы этой группы станут подконтрольными одному центральному кулачку, который теперь самостоятельно станет управлять работой обоих клапанов.

 

Механизм с тремя кулачками и составным гидротолкателем

 

а)	б) в)

Рис. 4.20. Механизм с тремя кулачками и составным гидротолкателем:

а) – внешний вид механизма; б) – привод клапана от крайних кулачков; в) – приводклапана от центрального кулачка

Система с промежуточным рычагом

Рис. 4.21. Система с промежуточным рычагом

Система отличается от традиционной тем, что кулачок распределительного вала воздействует на клапан не непосредственно, а через промежуточный рычаг. В зависимости от положения промежуточного рычага увеличивается или уменьшается плечо и тем самым изменяется время открытия и величина подъема впускных клапанов в соответствии с нагрузкой и оборотами двигателя. Положение промежуточного рычага меняется поворотом эксцентрикового вала при помощи шагового электродвигателя. Время срабатывания механизма – 300 мс. Такое же время затрачивается на изменение фаз газораспределения в пределах 60о. Получаемый эффект по расходу топлива достигает 14%, кроме того, удается обеспечить выполнение перспективных норм токсичности Евро-4. Существенно улучшаются и динамические качества автомобиля.