В Европе вступают в силу новые нормы по токсичности Евро-6, и моторостроители ищут способы удовлетворения этим требованиям их серийной продукции. Очередная перенастройка блока управления – существенно ухудшает мощностные параметры двигателей и поэтому больше не приемлема. Переход на непосредственный впрыск бензина в цилиндры увеличивает выбросы оксидов азота, и это обстоятельство требует установки на автомобили более совершенных нейтрализаторов. Эти устройства, чтобы их не вывели из строя примеси серы, должны иметь систему регенерации, которая существенно увеличивает их стоимость.
Применение системы изменения фаз газораспределения создает оптимальные условия работы двигателя только на полном открытии дроссельной заслонки. При других режимах работы двигателя поток воздуха ограничивает дроссельная заслонка, так как она определяет количество воздуха, поступающее в двигатель, на основании которого электронная система управления определяет угол опережения зажигания и количество подаваемого топлива в цилиндры двигателя.
При работе двигателя на режимах частичных нагрузок дроссельная заслонка создает во впускном трубопроводе разрежение, которое ухудшает наполнение цилиндров. Чтобы исключить из конструкции двигателя дроссельную заслонку, необходимо открывать впускной клапан только на время, необходимое, чтобы достичь нужного наполнения цилиндра горючей смесью.
Благодаря увеличению хода клапана на высокой частоте вращения коленчатого вала достигается наилучшая вентиляция цилиндра и заполнение топливовоздушной смесью. При минимальной частоте вращения коленчатого вала ход клапана минимален. При этом уменьшается эффект перекрытия клапанов, благодаря чему расход топлива минимален. С увеличением частоты вращения коленчатого вала величина открытия клапанов увеличивается. При этом уменьшается сопротивление газовым потокам внутри цилиндра, скорость продувки и наполнения цилиндра топливовоздушной смесью возрастает. Кроме того, увеличивается действие инерционного эффекта. Топливовоздушная смесь внутри цилиндра запирается клапанами при гораздо большем давлении, ее плотность выше, чем при минимальной частоте вращения коленчатого вала. Благодаря изменяющемуся ходу клапана снижаются потери на трение относительно обычного привода клапанов, вследствие небольшого сопротивления при малом ходе клапана.
Для решения задачи изменения хода клапана разработаны разные конструкции по открытию клапанов: механический привод, электрический привод и электрогидравлический привод.
Механический привод. Изменение высоты подъема клапана может осуществляться изменением высоты кулачка распределительного вала, воздействующего через коромысло на клапан. Такое решение под названием «VTEC-System» применяется фирмой «Хонда». Аббревиатура VTEC полностью расшифровывается следующим образом – Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. В переводе на русский язык – это электронная система управления временем открытия и высотой подъема клапанов. Принципиальная схема этой системы для двигателя с четырьмя клапанами на каждый цилиндр и двумя распределительными валами показана на (рис.6.19.)
Рис. 4.59. Изменение высоты подъема клапана при разной высоте кулачка распределительного вала автомобилей Хонда:
устройство а – положение кулачков распределительного вала при малой частоте вращения коленчатого вала; б – положение кулачков распределительного вала при большой частоте вращения коленчатого вала; 1 – запирающий плунжер в свободном состоянии; 2 – канал подачи масла; 3 – профиль кулачков для низкой частоты вращения коленчатого вала; 4 – основные коромысла; 5 – подача масла; 6 – профиль кулачков для высокой частоты вращения коленчатого вала; 7 – дополнительное коромысло; 8 – запирающий плунжер в рабочем состоянии; 9 – пружинное для подпирания дополнительного коромысла
Переключающий механизм установлен на оси коромысел. Эта система позволяет изменять ход клапана в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (высокая или низкая), а также выключать цилиндры из работы.
Распределительный вал, кроме двух кулачков небольшой высоты 3, имеет посреди них кулачок большой высоты 6 для привода клапанов каждого цилиндра с увеличенным ходом и продолжительностью открытия. Кулачок большой высоты воздействует на дополнительное коромысло 7, которое подпирается специальным пружинным устройством 9. Внутри оси распределительного вала имеется канал 2 подачи масла к запирающему плунжеру, состоящему из двух частей. Подача масла к деталям системы осуществляется по каналу, выполненному внутри распределительного вала. Для создания необходимого давления предусмотрен дополнительный масляный насос, запитывающийся от основной масляной магистрали. Запирающий плунжер состоит из двух поршней, которые могут передвигаться под давлением масла и соединять дополнительное коромысло 7 с основными коромыслами 4. При этом кулачок 6, имеющий большую высоту, чем кулачки 3, воздействуя на дополнительное коромысло 7, соединенное с основными коромыслами 4, открывая клапана на большую величину и увеличивая продолжительность подачи топливовоздушной смеси. При прекращении подачи масла запирающий плунжер под воздействием пружины возвращается в исходное состояние, и дополнительное коромысло отсоединяется от основных.
Переключение на разные частоты вращения коленчатого вала происходит по сигналу блока управления в зависимости от разряжения во впускном трубопроводе, нагрузки, скорости движения автомобиля и температуры двигателя.
В двигателях Audi FSI объёмом 2,8 и 3,2 л.с. использует так называемые кулачковые сегменты (valvelift system). Распределительные валы впускных клапанов имеют шлицы, на которых установлены кулачковые сегменты, представляющие собой цилиндрические втулки с внутренними шлицами (рис. 4.60). Кулачковые сегменты, имеющие два профиля кулачков — для малого и большого ходов подъёма клапана, могут передвигаться в осевом направлении.
Рис. 4.60. Фрагмент распределительного вала с кулачковыми сегментами
Сдвиг кулачковых сегментов в продольном направлении производится с помощью двух металлических штифтов, которые установлены в головке блока цилиндров перпендикулярно распределительному валу и могут выдвигаться с помощью электромагнитных исполнительных элементов (рис. 4.61).
Рис. 4.61. Исполнительные механизмы и кулачковые сегменты:
1 – распределительный вал для впускных клапанов; 2 – исполнительные механизмы с металлическим штифтом; 3 – рама подшипников распределительного вала; 4 – осевой ограничитель; 5 – сдвигающая канавка; 6 – кулачковый сегмент; 7 – кулачок для малого хода подъёма клапана; 8 – кулачок для большого хода подъёма клапана
На каждой кулачковой втулке выполнено по два сегмента для каждого клапана. Контуры кулачков имеют форму, обеспечивающую фазы газораспределения в соответствии с желаемыми характеристиками двигателя.
Малые контуры кулачков обеспечивают подъём клапана на 2 или 6 мм, большие – на 5,7 или 10 мм – в зависимости от типа двигателя (рис. 4.62).
Рис. 4.62. Принцип действия газораспределительного механизма с кулачковыми сегментами
1 – большой подъём клапанов; 2 – малый подъём клапанов; 3 – распределительный вал выпускных клапанов; 4 – большой кулачковый профиль; 5 – малый кулачковый профиль; 6 – роликовый рычаг; 7 – выпускной клапан; 8 – поршень
Исполнительный элемент системы регулировки фаз газораспределения представляет собой электромагнит (рис. 4.63). Для каждого цилиндра используются два исполнительных элемента. Для перехода на другой контур кулачка сигналы управления всегда подаются лишь на один исполнительный элемент. С металлическим штифтом соединён постоянный магнит. Он обеспечивает фиксацию штифта во вдвинутом или выдвинутом положении. Выдвижение металлического штифта производится с помощью электромагнита. Возврат во вдвинутое положение производится механическим путём, благодаря профилю сдвигающей канавки кулачкового сегмента.
Рис. 4.63. Исполнительный механизм:
1 – шайба якоря; 2 – демпфирующее кольцо; 3 – постоянный магнит; 4 – штыревой контакт; 5 – уплотнительное кольцо; 6 – корпус катушки; 7 – обмотка; 8 – сердечник; 9 – полюсная шайба; 10 – металлический штифт
При подаче сигналов управления на исполнительный механизм от блока управления двигателя металлический штифт выдвигается, входит в перемещающую канавку кулачкового сегмента (рис. 4.64). Спиралевидная форма канавки обеспечивает продольное перемещение кулачкового сегмента при его вращении и производит таким образом перевод системы на другой контур кулачка. При включении электромагнита металлический штифт, который прочно соединён с постоянным магнитом, начинает движение, пока не достигнет нижнего упора.
Рис. 4.64. Принцип работы кулачковых сегментов:
а – малые профили кулачков (низкие частоты вращения); б – большие профили кулачков (высокие частоты вращения)
Подача сигнала управления на электромагнит производится только для выдвижения металлического штифта. Затем он удерживается в выдвинутом положении за корпус исполнительного элемента при помощи постоянного магнита. Кулачковый сегмент прилегает к осевому ограничителю в точно определённом положении. Перевод кулачкового сегмента в прежнее положение производится с помощью второго металлического штифта со сдвигающей канавкой на противоположной стороне сегмента. При этом постоянный магнит создаёт в катушке электромагнита индуктивное напряжение. Этот сигнал используется блоком управления двигателя для распознавания успешного переключения.
Фирма Порше в 2000 году внедрила для своих двигателей с турбонаддувом чашечный толкатель и изменяемой высотой подъема клапана (рис. 4.65).
Рис. 4.65. Изменение высоты подъема клапанного механизма с чашечными толкателями автомобилей Порше:
1 – запирающий плунжер; 2 – внешний чашечный толкатель; 3 – внутренний чашечный толкатель; 4 – подшипник для фиксации толкателя от проворачивания; 5 – гидрокомпенсатор
Чашечный толкатель состоит из двух частей – внутреннего 3 и внешнего толкателя 2. На внутренний толкатель воздействует маленький кулачок распределительного вала, обеспечивающий ход клапана 3 мм. На внешний толкатель воздействуют два больших кулачка распределительного вала, обеспечивающих ход клапана 10 мм. Внутренний толкатель работает в том случае, когда запирающий плунжер 1 не соединяет оба толкателя. Если по сигналу блока управления масло подается к запирающему плунжеру, оба толкателя соединяются в одно целое и в этом случае начинает работать внешний толкатель, обеспечивая больший ход клапана на соответствующем режиме.
Представителем механического привода является система Valvetronic, применяемая на автомобилях БМВ, управляющая подъемом впускных клапанов и дозирующая поступающую в цилиндры рабочую смесь, что позволяет повысить экономичность двигателя без потерь мощности при удовлетворении норм Евро-4 и сохранении системы впрыска во впускной коллектор. Общий вид системы показан на (рис. 4.66).
Рис. 4.66. Система управления подъемом впускных клапанов двигателя Valvetronic БМВ:
1 – электродвигатель; 2 – колесо червячной передачи; 3 – пружина рычага; 4 — эксцентриковый управляющий вал; 5 – дополнительный рычаг с роликовой опорой; 6 – распределительный вал; 7 – коромысло; 8 – клапан
Между распределительным валом 6 и каждой парой впускных клапанов 8 размещен дополнительный рычаг 5, который крепится на оси. Электродвигатель 1 через червячную передачу поворачивает эксцентриковый управляющий вал 4 на угол, определяемый электронной системой управления.
Клапана открываются непосредственно рычагами 5 с роликовыми опорами при воздействии на коромысла, опирающиеся с одной стороны на клапан, с другой стороны на гидравлический толкатель. Рычаги 5 посредством витых пружин 3 прижимаются к кулачку распределительного вала. Для снижения потерь на трения на осях рычага с роликовой опорой и коромысла установлены игольчатые роликовые подшипники.
При повороте эксцентрикового вала, эксцентрик набегая на рычаг 5, поворачивает его на определенный угол. Перемещая эксцентриковый вал, электродвигатель увеличивает или уменьшает плечо промежуточного рычага, тем самым, удлиняя или укорачивая ход впускных клапанов в соответствии с нагрузкой двигателя. Учитывая, что эксцентрик смещающий ось толкателя, имеет электрический привод, это позволяет задавать угол поворота нелинейным и программировать его индивидуально для каждого двигателя.
Величина открытия клапана изменяется от 0,20 мм (обеспечивая работу на холостом ходу и уменьшая нагрузку на клапан) до 9,7 мм, необходимых для получения максимальной мощности. Высота подъема клапанов, и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль управления подачей топлива, потенциометр которой передает сигнал в блок управления и при этом нет необходимости применять дроссельную заслонку для изменения количества подаваемого воздуха, хотя она и сохраняется в системе Valvetronic. Она необходима лишь при диагностике системы и на всех режимах работы двигателя заслонка всегда полностью открыта.
Площадь, занимаемая установкой механической системы высоты подъема клапана, на головке блока не изменяется, необходимо лишь дополнительное пространство для установки электродвигателя. Эксцентриковый вал, рычажный механизм, распределительный вал крепятся единым модулем на головке блока.
Выпускные клапана в приведенной системе открываются, как и в традиционных системах с помощью распределительного вала и коромысел. В настоящее время фирмой БМВ разработаны системы изменения высоты подъема и для выпускных клапанов.
Подобная система применяется в двигателях EP6 на Peugeot 308 (рис. 4.67), где привычная цепочка «впускной распределительный вал — коромысло — клапан» была дополнена эксцентриковым валом 2 и промежуточным рычагом 3. Поворот эксцентрикового вала 2 осуществляется электроприводом. Шаговый электродвигатель, управляемый компьютером, поворачивая эксцентриковый вал 2, увеличивает или уменьшает плечо промежуточного рычага 3, задавая необходимую свободу перемещения коромыслу 4, с одной стороны опирающемуся на гидротолкатель 5, а с другой, воздействующему на впускной клапан 6. В соответствии с нагрузкой на двигатель варьируется высота подъема клапанов (от 0.2 мм до 9.5 мм), за счет изменения плеча промежуточного рычага 3.
Рис. 4.67. Система управления подъемом впускных клапанов двигателя EP6 автомобиля Peugeot 308:
1 – распределительный вал; 2 – эксцентриковый вал; 3 – промежуточный рычаг; 4 – коромысло; 5 – гидротолкатель; 6 – впускной клапан; 7 – размер изменяемой высоты подъема клапана
Электромагнитный привод клапанов. Улучшение наполнения цилиндров можно достигнуть без увеличения числа клапанов, удлинения фазы впуска и увеличения подъема клапана, применяя электромагнитный привод клапана EVA (Electromagnetic Valve Actuator). Такие системы в настоящее время интенсивно разрабатываются как в Европе, так и США.
Электромагнитный привод клапанов представляет собой подпружиненный клапан, который помещен между двумя электромагнитами, которые удерживают его в крайних положениях: закрытом или полностью открытом. Специальный датчик выдает блоку управления информацию о текущем положении клапана. Это необходимо для того, чтобы снизить до минимальной его скорость в момент посадки в седло.
Принцип работы системы показан на рис. 4.68. Как видно из схемы работы этой системы, в системе управления клапанами полностью отсутствует кулачковый вал со своим приводом, который заменен электромагнитами на каждый клапан.
Рис. 4.68. Электромеханический привод клапана:
1 – электромагнит открытия клапана; 2 – якорь; 3 – электромагнит закрытия клапана; 4 – клапанная пружина
Якорь электромагнита образует комбинацию с двумя пружинами для открытия и закрытия клапана. Когда к электромагнитам не подводится электрический ток, пружины клапана и электромагнита держат клапан в среднем положении, соответствующем половине хода клапана, при этом он полуоткрыт, что позволяет легко прокручивать коленчатый вал двигателя в начальной стадии пуска. При достижении необходимой частоты вращения от блока управления поступает сигнал и в верхний электромагнит открытия подается электрический ток, клапан закрывается. Одновременно осуществляется впрыск топлива.
При открывании клапана прерывается подача напряжения в верхний электромагнит (рис. 4.69).
Рис. 4.69. Изменение силы тока в электромагнитах
Энергия, накопленная в верхней пружине, движет клапан вниз до тех пор, пока накопленная энергия полностью не израсходуется. Для возможности дальнейшего перемещения клапана вниз напряжение подается в нижний электромагнит и якорь, втягиваясь под действием магнитного поля, открывает клапан. При этом, учитывая потери энергии пружины в конце ее движения, в нижний электромагнит кратковременно подается ток повышенной силы, до тех пор, пока клапан полностью не откроется.
Информация для блока управления поступает от датчика, расположенного на коленчатом валу и фиксирующего его угловое положение. Для каждого клапана компьютер определяет начало его открытия и закрытия, а значит и ход, в зависимости от положения коленчатого вала. Ход клапана может изменяться от нулевой величины до максимальной в зависимости от режима работы двигателя.
Система EVA разработана так, чтобы почти вся энергия, необходимая для перемещения клапана, находилась в пружинах. Единственным требованием, предъявляемым к электрической системе, является компенсация энергии демпфирования пружин и потерь на трение в направляющей клапана. Величина этого трения низкая, так как нет боковых сил, действующих на клапан. Электроэнергия необходима лишь только для того, чтобы использовать ее в непосредственной близости от той точки, где полностью израсходована накопленная энергия пружины. Здесь к.п.д. электромагнита должен быть наибольший, поэтому зазор между якорем и электромагнитом устанавливают минимальный.
Привод EVA осуществляет движение клапана за 2,42 мс и потребляет при этом 66 Вт на каждый клапан при частоте вращения 6000 мин-1.
Открытие и закрытие клапана производится в пределах долей градуса поворота коленчатого вала. Такая точность нужна при отсутствии дросселирования воздушного заряда на впуске.
Фирма Renault предлагает несколько другую систему, в которой клапаны перемещаются между двумя пружинами, с соленоидами (рис. 4.70), которые обеспечивают необходимое время открытия клапанов, но потребляют столько электричества, сколько требуется для преодоления собственных механических потерь. В предлагаемой системе нет распределительного вала и его привода. Электрическая энергия экономится за счет того, что при работе системы электрическая энергия расходуется только в момент открытия клапана, а закрывается клапан пружиной. Управление системой осуществляется электронной системой управления. Мощность, необходимая для работы этой системы на холостом ходу и при малых нагрузках, составляет всего 300 Вт.
Рис. 4.70. Электромагнитный привод клапанов фирмы Renault
С помощью такой системы можно не только четко управлять временем открытия каждого клапана, но и обеспечивать получение максимальной мощности или максимального крутящего момента (или очень малой и экономичной частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу). Система электромагнитного привода клапанов имеет и другие преимущества. Например, можно полностью отключать часть цилиндров или переводить их на малую нагрузку, так что остальные будут работать более эффективно. Однако главное преимущество этой системы заключается в том, что время и степень открытия клапанов в любой момент времени могут быть оптимальными для работы двигателя, в зависимости от условий движения. Кроме этого, конструкция самого двигателя упрощается, потому что отсутствует обычный привод газораспределительного механизма: цепи, зубчатые ремни, механизм натяжения, шестерни и распределительные валы. При этом значительно упрощается конструкция головки блока цилиндров и исчезает потребность в подаче к ней смазочного масла, в связи с отсутствием дросселирования воздушного заряда во впускном коллекторе упрощается и его конструкция. В целом это приводит и к уменьшению размеров двигателя. В головке блока цилиндров исчезают обрабатываемые многочисленные гнезда и установочные поверхности. Все это сокращает ее массу на 30 %.
Единственной и главной проблемой применения электромагнитного привода является обеспечение исполнительных устройств достаточной энергией и их большие размеры. По сравнению с обычным приводом клапанов мощность генератора при электромеханическом приводе клапанов должна быть повышена на 80%. Соленоиды должны открывать клапаны с той же скоростью, что и кулачки распределительного вала, а в этом случае они получаются большие и тяжелые. В действительности они будут такими, если их питать от 12-вольтовой электрической системы. Однако, в настоящее время производители легковых автомобилей должны перейти на напряжение бортовой сети 36 В, с генератором, обеспечивающим напряжение 42 вольта (современные генераторы выдают 14 вольт, снабжая систему напряжением 12 вольт). При увеличении напряжения в три раза электрический ток, необходимый для питания устройств управления клапанами, становится намного меньше, и размер соленоидов значительно уменьшается таким образом, что устройство может занимать место не больше, чем обычный механизм с двумя распределительными валами в головке и клапанными пружинами.
Гидравлический привод клапанов. Применение электромагнитного привода клапанов требует больших затрат электроэнергии на их открытие, поэтому немецкие производители двигателей предлагают открывать клапана с помощью гидравлики, а управлять гидравликой с помощью электроэнергии. В отличие от других типов открытия клапанов применение электрогидравлического привода клапанов позволяет отказаться не только от распределительного вала и дроссельной заслонки, но и от клапанных пружин. При применение этого типа клапанов, наряду с простым открытием-закрытием клапанов и ходом клапана можно изменять фазы газораспределения и их работу независимо для каждого цилиндра, снижая тем самым расход топлива и выброс токсичных веществ в отработавших газах и повысить мощность двигателя.
Общая схема электрогидравлического привода клапанов показана на рис. 4.71.
Рис. 4.71. Схема электрогидравлического привода клапанов:
1 – насос высокого давления; 2 – линия высокого давления (50…200 кгс/см2); 3 – клапан регулировки высокого давления; 4 – линия управляющего давления (5…20 кгс/см2); 5 – блок электрогидравлического подъема клапана; 6 – регулятор подъема клапана; 7 – электромагнитный клапан на линии низкого давления; 8 – линия низкого давления (менее 5 кгс/см2 ); 9 – клапан механизма газораспределения; 10 – электромагнитный клапан на линии высокого давления; 11 – цилиндр; 12 – поршень
Каждый блок электрогидравлического подъема клапана содержит на каждый клапан механизма газораспределения:
— электромагнитный клапан 10 на линии высокого давления обесточенный в закрытом положении;
— электромагнитный клапан 7 на линии низкого давления обесточенный в открытом положении;
— регулятор подъема клапана 6;
— двухступенчатый регулируемый привод поршня 12 для открытия клапана;
— гидравлический компенсатор линейного расширения.
Принцип действия системы заключается в следующем. Насос высокого давления создает давление масла в системе до 200 кгс/см2. Электромагнитный редукционный клапан 3 регулирует давление в линии высокого давления в пределах 50…200 кгс/см2 по сигналу блока управления, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, температуры и т. д. Этот клапан регулирует переменный ход высоты подъема клапана одновременно для всех клапанов сразу. Если на электромагнитный клапан 10 подается напряжение, он открывается и масло из линии высокого давления поступает в цилиндр сверху поршня. Электромагнитный клапан на линии низкого давления 7 в это время закрыт, так как на него не подается напряжение. Поршень, воздействуя на клапан механизма газораспределения перемещает его вниз, таким образом клапан открывается. В зависимости от режима работы двигателя срабатывает регулятор подъема клапана 6, изменяя скорость посадки всех клапанов одновременно. Изменение фаз газораспределения клапанов происходит при изменении времени подачи напряжения на электромагнитный клапан на линии высокого давления 10.
При обесточивании электромагнитного клапана 10 и масло из линии высокого давления поступает в цилиндр снизу поршня. Поршень, воздействуя на клапан механизма газораспределения перемещает его вверх, таким образом клапан закрывается. Масло из пространства над поршнем подается в линию низкого давления и затем снова подается к насосу.
Для того чтобы увеличить силу открытия клапана и одновременно снизить потребление энергии при большом ходе открытия клапана, применяются поршни, состоящие из двух частей. При среднем давлении около 100 кгс/см2 и относительно малом времени срабатывания полный ход клапана составляет 1 мм, а скорость посадки колеблется от 0.05 до 0,5 м/с.
Электрогидравлический привод клапанов связан с системой циркуляции масла двигателя. Общими с системой смазки двигателя являются поддон картера двигателя, масляный насос для подачи масла в систему смазки двигателя и к насосу высокого давления привода клапанов, фильтр очистки масла и магистраль слива масла из головки блока. К используемому маслу, единому для общей системы смазки и привода клапанов предъявляются высокие требования по качеству при длительной эксплуатации и вязкостным характеристикам. Поэтому в систему смазки должно заливаться масло типа 0W40. Для отслеживания вязкости при эксплуатации двигателя предусмотрен специальный датчик, посылающий сигнал о потере вязкости.
Блоки электрогидравлического подъема клапана могут устанавливаться и монтироваться независимо друг от друга. Выполненная с большой точностью плоская поверхность блока позволяет обеспечивать необходимую гидравлическую плотность соединения блока с корпусом двигателя.
Более простое решение гидравлического привода клапанов предлагает фирма Фиат (рис. 4.72). Впускной клапан здесь открывается с помощью распределительного вала и гидравлического передающего механизма.
При вращении распределительного вала 3, кулачок набегает на плунжерный толкатель 4, создавая давление масла в цилиндре толкателя, которое затем передается на поршень 2, воздействующий на впускной клапан. Давление в цилиндре толкателя может меняться в зависимости от степени открытия электромагнитного клапана 6, управляющего золотником. Этим регулируется ход клапана и изменение режима работы двигателя может осуществляться без дроссельной заслонки.
Рис. 4.72. Электрогидравлический привод впускных клапанов фирмы Фиат:
1 – впускной клапан; 2 – поршень; 3 – распределительный вал; 4 – плунжерный толкатель; 5 – масляная камера цилиндра плунжерного толкателя; 6 – электромагнитный клапан; 7 – масляный резервуар
Масло через сообщающийся канал может передаваться в небольшой масляный резервуар 7.
Применение системы изменения высоты подъема клапана для использования цикла Миллера. Цикл Рудольфа Миллера, запатентованный в 1947 году, в настоящее время применяется в двигателях некоторых азиатских автопроизводителей и в автомобилях Audi с системой изменения высоты подъема клапана valvelift system (AVS).
В двигателе, работающем по циклу Миллера, применяется специальная система управления клапанным механизмом. Она служит для того, чтобы раньше закрывать впускные клапаны по сравнению с обычным бензиновым двигателем. Это позволяет достичь уменьшения количества впускаемого воздуха, постоянное давление сжатия, уменьшение степени сжатия, увеличение степени расширения. Уменьшение степени сжатия приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах. За счёт увеличения степени расширения, управление мощностью можно осуществлять без дросселирования и тем самым значительно повысить коэффициент полезного действия.
Недостатками двигателей, работающих про циклу Миллера являются: меньший крутящий момент при низкой частоте вращения, снижение коэффициента полезного действия из-за уменьшения эффективной степени сжатия. Эти недостатки компенсируются за счёт наддува и охлаждения наддувочного воздуха.
Для использования цикла Миллера в двигателях Audi система AVS переключается на кулачок, который, во-первых, приводит к другому времени открытия клапанов (раннее закрывание впускных клапанов) и, во-вторых, уменьшает ход открытия впускных клапанов.
На кулачковых сегментах для каждого клапана имеется по два профиля кулачка (рис. 4.73). Фазы газораспределения, управляемые кулачками, рассчитаны на достижение необходимых характеристик двигателя. Регулируемыми параметрами являются продолжительность и момент открытия клапана, а также ход клапана (проходное сечение).
Рис. 4.73. Форма и высота кулачка двигателя Audi при использовании цикла Миллера:
1 – малый профиль кулачка; 2 – большой профиль кулачка
В случае малых профилей кулачков продолжительность открытия составляет140° угла поворота коленчатого вала. При полном ходе клапана, реализуемом большими профилями кулачков, продолжительность открытия достигает 170° угла поворота коленчатого вала.
Рассмотрим сравнение рабочего цикла обычного цикла Отто и цикла Миллера, применяемого в двигателях Audi со смешанной системой впрыска (распределенный MPI, во впускной трубопровод и непосредственный FSI в цилиндры) (рис. 4.74).
Такт впуска. Поршень перемещается из ВМТ в НМТ.
При цикле Миллера впускной клапан закрывается значительно раньше момента достижения поршнем НМТ. После закрытия впускного клапана давление в цилиндре начинает уменьшаться, поскольку поршень продолжает двигаться вниз.
При цикле Отто впускной клапан открывается еще при такте выпуска и закрывается в начале такта сжатия.
Рис. 4.74. Сравнение рабочего цикла обычного цикла Отто
и цикла Миллера (такт впуска):
а – цикл Отто; б – цикл Миллера
Такт сжатия. Поршень перемещается из НМТ в ВМТ. При угле поворота коленчатого вала 70° перед ВМТ давление в цилиндре уравнивается с давлением во впускном тракте. Благодаря более высокой геометрической степени сжатия, давление при новом рабочем процессе возрастает быстрее. Однако в ВМТ давление для обоих циклов примерно одинаково и составляет 12 бар.
В целом, средний уровень давления в цикле Миллера выше, поэтому двигатель при использовании этого цикла имеет больший коэффициент полезного действия.
Начало рабочего хода. Поршень перемещается из ВМТ в НМТ. Во время расширения при цикле Миллера из-за меньшего объёма камеры сгорания величина давления выше.
Такт выпуска. Поршень перемещается из НМТ в ВМТ. На этом такте цикл Миллера из-за различных массовых характеристик смеси и других тепловых переходов обеспечивает незначительное преимущество по КПД.
Система отключения цилиндров. Современные бензиновые двигатели, как правило, большую часть времени работают в режимах малых нагрузок. Работа в таких режимах сопряжена с большими потерями дросселирования на малых открытиях дроссельной заслонке. Это приводит к низкой эффективности работы двигателя и высокому удельному расходу топлива. Двухцилиндровый двигатель, работающий с полностью открытой дроссельной заслонкой в режиме высоких нагрузок, имеет меньший удельный расход топлива, чем четырехцилиндровый двигатель, работающий с прикрытой дроссельной заслонкой, что является главной причиной применения системы отключения цилиндров
Одной из главных сложностей при разработке системы отключения цилиндров было обеспечение условия чтобы клапаны отключённых цилиндров оставались закрытыми. В противном случае в выпускную систему попадало бы слишком много воздуха и двигатель бы слишком сильно охлаждался.
При отключении двух цилиндров из четырёх частота рабочих тактов уменьшается вдвое, что снижает равномерность работы четырехцилиндрового двигателя. Кроме того, отключение цилиндров и их последующее включение не должно было сопровождаться толчками, вследствие изменения крутящего момента.
В качестве примера рассмотрим систему отключение цилиндров на основе разработанной Audi системы изменения хода клапанов (рис. 4.75). При этом, в соответствии с порядком работы цилиндров, отключаются всегда цилиндры 2 и 3. Клапаны отключённых цилиндров остаются закрытыми. Впрыск топлива и зажигание выключаются на всё время отключения цилиндров.
Рис. 4.75. Система отключения цилиндров:
1 – нулевой кулачок; 2 – рабочий кулачок; 3 – сдвижной блок кулачков; 4 – исполнительный механизм перемещения кулачков выпускных клапанов; 5 – исполнительный механизм перемещения кулачков впускных клапанов
Для каждого отключаемого цилиндра в клапанной крышке установлены два исполнительных механизма: один для перемещения блока кулачков впускных клапанов и один для перемещения блока кулачков выпускных клапанов. В отличие от вышеописанной системы изменения высоты подъема клапана Audi, в которых на каждый блок кулачков было по два исполнительных механизма — по одному для перемещения в каждом направлении, в системе отключения цилиндров исполнительные механизмы каждой такой пары объединены в один (рис. 4.76). Устройство объединённых исполнительных механизмов в целом аналогично устройству отдельных механизмов системы изменения высоты подъема клапана.
При включении исполнительного механизма перемещения кулачков его металлический штифт опускается и входит в спиральную канавку сдвижного блока кулачков (рис. 4.76, а). В результате при дальнейшем вращении вместе с распределительным валом блок кулачков смещается по шлицам распределительного вала и фиксируется в новом положении. Над роликовым коромыслом вращается теперь «нулевой» кулачок. Так как нулевой кулачок имеет круглый профиль без подъёма, клапаны всех отключённых цилиндров остаются закрытыми.
По завершении перемещения блока кулачков металлический стержень исполнительного механизма отжимается профилем дна канавки вверх, в своё исходное положение, в котором удерживается силой притяжения постоянного магнита до следующего использования. Принудительный ввод металлического стержня в электромагнитную катушку создаёт в ней импульс напряжения. Для блока управления двигателя этот импульс является сигналом обратной связи, подтверждающим успешное завершение переключения.
Рис. 4.76. Схема работы системы отключения цилиндров:
а – клапана не открываются (цилиндры выключены); б – клапана открываются (цилиндры включены)
Чтобы избежать скачка крутящего момента во время переключения, снижается давление во впускном коллекторе. По мере роста наполнения цилиндров момент зажигания смещается соответственно наполнению в сторону «позже», чтобы сохранить крутящий момент двигателя неизменным. По достижении заданного значения наполнения отключаются сначала выпускные и затем впускные клапаны цилиндров 2 и 3. После последнего такта впуска впрыск топлива больше не выполняется, в результате чего в камере сгорания оказывается заперт чистый воздух. Запирание в камере сгорания чистого воздуха ведёт к меньшим значениям компрессии в следующем такте сжатия, вследствие чего переключение происходит менее заметно. Эффективность работы обоих остающихся активными цилиндров 1 и 4 повышается, поскольку они работают теперь в режиме больших нагрузок. Работа с большим открытием дроссельной заслонки ведёт к уменьшению потерь на дросселирование, улучшает протекание процессов сгорания.
Включение цилиндров 2 и 3 происходит в том же порядке, что и их отключение. Сначала включаются выпускные и только после этого — впускные клапаны, в результате чего запертый в камере сгорания воздух вытесняется в выпускной тракт.
Отключение цилиндров происходит в зоне характеристики, часто используемой в среднестатистическом повседневном вождении. В качестве нижней границы выбрано значение 1250 об/мин, отключение цилиндров при более низкой частоте вращения коленчатого вала приводит к слишком неравномерной работе двигателя. Верхняя граница установлена на 4000 об/мин для ограничения усилий, возникающих на стержнях исполнительных механизмов при переключении. На третьей передаче зона отключения цилиндров начинается с 30 км/ч, на пятой и шестой передачах завершается на 130 км/ч.
Чтобы полностью использовать все возможности экономии топлива, предоставляемые системой отключения цилиндров, отключение происходит не только в режимах частичной нагрузки, но и в режиме принудительного холостого хода. В этом случае уменьшение тормозного момента двигателя приводит к заметному увеличению продолжительности принудительного холостого хода, во время которого топливо не впрыскивается в цилиндры.
При нажатии водителем педали тормоза режим отключения цилиндров сразу же прерывается, чтобы все четыре цилиндра могли участвовать в создании тормозного момента. Отключение цилиндров не происходит также при скатывании под уклон.
Фирмой Daimler-Chrysler для отключения цилиндров применяется система с запирающим плунжером, состоящим из двух частей для отключения цилиндров серийных 8-ми и 12-ти цилиндровых двигателей. Элемент этой системы без распределительного вала представлен на (рис. 4.77).
Рис. 4.77. Устройство выключения цилиндров:
1 – гидротолкатель; 2 – запирающий плунжер; 3 – основное коромысло; 4 – ролик; 5 – дополнительное коромысло; 6 – пружинный элемент
По сигналу электронного блока управления запирающий плунжер 2, может соединять или разъединять дополнительное коромысло 5 с основным 3. Если дополнительное коромысло будет соединено с основным, тогда распределительный вал, набегая на ролик 4, воздействует через запирающий плунжер на основное коромысло, и клапан будет открываться. В случае рассоединения запирающим плунжером обоих коромысел распределительный вал не может воздействовать на основное коромысло, и клапан открываться не будет, таким образом, цилиндр выключается из работы.