Реферат: Система запалювання сучасних автомобілів
Навіщо потрібно все це хитрування? Відповідь проста: вимоги до економічності, токсичності, пристосовності двигунів рік від року ростуть. Задовольнити запити непросто, так що мудрі технічні рішення - усвідомлена необхідність. Вже очевидно, що майбутнє - за двигунами з безпосереднім упорскуванням палива, як дизельними, у чиїх перспективах мало хто сумнівається, так і бензиновими, епоха яких тільки почалася. Тим часом, задача системи газорозподілу не змінився - забезпечувати найкраще наповнення циліндра, продувку камери згоряння і високий момент, що крутить, у широкому діапазоні оборотів. Останнього вдалося досягти регулюванням фаз - або поворотом розподільного вала, або за допомогою додаткових кулачків зі зміненим профілем. Однак навіть такі складні системи ефективні в досить вузьких межах. Погодьтеся, що думка про індивідуальний привод кожного клапана просто зобов'язана була прийти кому-небудь в голову.
"Шкідлива" дросельна заслінка
Однієї із самих досконалих конструкцій газорозподільного механізму визнана система Double VANOS , застосовувана фірмою BMW на рядних шестициліндрових двигунах автомобілів нової третьої серії і спортивних М3. Тут обидва розподільних вала, що керують відповідно впускними і випускними клапанами, можуть повертатися щодо початкового положення, змінюючи моменти початку впуску і випуску (довжина фаз, обумовлений профілем вала, постійна), а також тривалість перекриття клапанів (фаза, коли впускний і випускний клапани відкриті одночасно). Але навіть вона створює оптимальні умови роботи мотора тільки на повному дроселі. В інших режимах потік повітря обмежує дросельна заслінка - саме вона визначає кількість повітря, що надходить у двигун, на підставі якого електроніка керування упорскуванням і запалюванням розраховує кількість бензину й інші параметри.
При роботі двигуна на режимах часткового навантаження від дросельної заслінки один збиток - вона створює у впускному трубопроводі розрідження, що погіршує наповнення циліндрів. Ідеальним варіантом було б відкривати впускний клапан тільки на час, необхідний, щоб досягти потрібного наповнення циліндра горючою сумішшю.
У результаті з'явилася механічна система керування не тільки фазами, але і підйомом впускних клапанів. До вже стандартного Double VANOS додався механізм, що змінює висоту підйому впускних клапанів (мал.1).
Розріз головки блоку двигуна BMW без дросельної заслінки зі змінюваним підйомом впускних клапанів: 1 - розподільчий вал; 2 - ексцентриковий вал; 3 - додатковий важіль; 4 - впускний клапан.
Між розподільним валом 1 і кожною парою впускних клапанів 4 помістили додатковий важіль 3: у залежності від положення його осі обертання змінюється закон руху клапанів. Положення осі, у свою чергу, задається при обертанні ексцентрикового вала 2. Таким чином, і висота підйому клапанів, і, відповідно, тривалість фази впуску змінюються в залежності від натискання на педаль газу і дросельна заслінка стає непотрібною.
Проведені іспити показали, що середня витрата палива двигуном без дросельної заслінки, виміряна за методикою EU 93/116, нижче на 10% у порівнянні зі звичайним двигуном, оснащеним тільки Double VANOS. Якщо в реальній експлуатації велика частка режимів з частково відкритою дросельною заслінкою, то економія може досягати навіть 18%.
За твердженням фахівців фірми, подібна система - можлива межа вдосконалення бензинового двигуна з упорскуванням у впускний трубопровід. Подальше збільшення ефективності можливе тільки за допомогою досить екзотичних конструкцій, що змінюють, здавалося б, непорушне - ступінь стиску і робочий об'єм двигуна.
Від механічного до електромагнітного
Чи можна поліпшити наповнення циліндрів, не збільшуючи число і розмір клапанів, не подовжуючи фазу впуску і не збільшуючи підйом? Можна - якщо приводити клапани не за допомогою кулачків, а електромагнітним або гідравлічним приводом. При тих же часі відкриття і висоті підйому визначальний параметр "час-перетин" буде більше, оскільки клапан відкривається і закривається значно швидше. Тільки завдяки цьому можна збільшити момент двигуна, що крутить, приблизно на 5%.
Електромагнітний привод клапана
Досвідчений зразок чотирьохциліндрового двигуна BMW з електромагнітними клапанами і безпосереднім упорскуванням бензину уже випробують на стендах у Мюнхені. Привід клапанів виглядає в такий спосіб: підпружинений клапан поміщений між двома електромагнітами, що утримують його в крайніх положеннях: закритому або цілком відкритому. Спеціальний датчик видає блокові керування інформацію про поточне положення клапана. Це необхідно, щоб знизити до мінімальної його швидкість у момент торкання сідла. Кількість повітря, що надходить у циліндр, визначається тривалістю відкриття клапана - висота підйому не регулюється.
Можливості системи практично нічим не обмежені: досить змінити програму керування клапанами, щоб мотор з чотирма клапанами на циліндр у доли секунди став двох - або трьохклапанним; можна вибірково відключати циліндри, ефективно гальмувати двигуном при будь-яких оборотах, на ходу змінювати робочий процес і перетворювати чотиритактний двигун у двотактний або шести-, або навіть у восьмитактний (на режимах з частковим навантаженням) - такого шикарного інструмента для найрізноманітніших досліджень у мотористів ще не було.
"Даймлер-Бенц" грає на дизелі
Веде дослідження в області індивідуального керування клапанами і компанія "Даймлер-Бенц". Двигун у лабораторії Ульріха Летше обладнаний гідравлічним приводом клапанів (мал.2). Але багато хто неправильно розуміє його роботу. Вони думають, що клапани приводяться тільки гідравлічно.
Гідравлічні імпульси лише запускають процеси відкриття (а) і закриття (б) клапана в двигуні Летше, а далі працюють потужні пружини
Насправді привод нагадує пружинний маятник - гідравліка служить лише "спусковим гачком", після якого рухом клапана керує пружина. Для дизельного двигуна необхідні велика потужність і зусилля привода, оскільки в момент відкриття випускного клапана в циліндрі ще досить великий тиск.
Дослідний двигун Летше - одноциліндровий, робочим об'ємом близько 2 л - зібраний на основі поршневої групи мотора "Мерседес-Бенц-Актрос". Максимальне число оборотів не перевищує 2000 об/хв, але переваги нового газорозподільного механізму очевидні. Фази відкриття впускних і випускних клапанів оптимальні у всьому діапазоні частот обертання і навантажень, що дозволяє заощаджувати до 10% палива і приблизно на стільки ж зменшити токсичність вихлопу. І хоча для дизельних двигунів вантажівок високі обороти не потрібні, гідропривід зберігає працездатність до 6000 об/хв, що дає можливість його застосування і на легкових автомобілях.
Особливо привабливим для вантажних автомобілів виглядає керування процесом гальмування двигуном за рахунок варіювання ширини фази випуску, а також зміни робочого об’єму багатоциліндрових двигунів шляхом відключення циліндрів.
Системи VTEC: DOHC VTEC, SOHC VTEC, VTEC-E і 3-stage VTEC
Абревіатура VTEC повністю розшифровується як - Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. У перекладі на українську - це електронна система керування часом відкриття і висотою підйому клапанів. Або простіше: електронна система регулювання фаз газорозподілу. Усього на даний момент існують чотири різні системи: DOHC VTEC, SOHC VTEC, VTEC-E і 3-stage VTEC, але загальний принцип роботи у них однаковий: використання для конкретного клапана різних по профілю кулачків для різних режимів роботи, шляхом замикання рокерів або коромисел невеликим стержнем, що рухається під тиском оливи. Тобто, як видно, система дуже проста і надійна.
Що таке VTEC?
Двигун внутрішнього згоряння перетворює хімічну енергію палива в теплову енергію. Щоб збільшити теплову енергію в циліндрі треба збільшувати тиск. Тиск на поршнях породжує механічну силу, що обертає колінчатий вал. Ця механічна сила виміряється моментом, що крутить. Здатність двигуна витримувати деякий рівень моменту, що крутить, для визначених оборотів у хвилину виміряється потужністю. Потужність - міра роботи двигуна. Цей процес перетворення - ефективний не на 100%. Фактично, тільки приблизно 30% енергії палива перетвориться в механічну енергію.
Фізика говорить, що для даного рівня ефективності, більш висока витрата палива необхідна для двигуна, щоб зробити велику роботу. Так що стає очевидно, що, якщо Ви хочете більшу кількість потужності, Ви повинні збільшити витрата палива. Один шлях до досягнення цієї мети полягає в тому, щоб мати двигун більшого обсягу. Більший двигун з великими циліндрами буде спалювати більша кількість палива за оборот, чим двигун з меншим обсягом. Інший метод - стиск паливно-повітряної суміші. У такий спосіб навіть при тім, що розмір циліндра та ж самий, більше кількість палива спалюється за оборот. Другий метод називають форсована індукція.
Honda досліджувала інший метод: зберігаючи розмір двигуна тим же самим, крутити двигун швидше, щоб споживати більша кількість палива. У будь-якому випадку, більша кількість спаленого палива, волоче більша кількість потужності, зробленої двигуном.
Зі збільшенням частоти оборотів двигуна, більша кількість паливно-повітряної суміші повинне "вдихати" і "видихатися" двигуном. Таким чином, щоб витримати високі частоти обертання двигуна, впускні і випускні клапана повинні відкритися добре і широко. Інакше Ви маєте щось, подібне до астми: двигун не може одержати досить суміші через обмеження.
Абревіатура VTEC повністю розшифровується в такий спосіб - Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. У перекладі на українську - це електронна система керування часом відкриття і висотою підйому клапанів. Або простіше: електронна система регулювання фаз газорозподілу.
Відомо, що зміна довжини фаз впуску і випуску дозволяє змінювати характеристики двигуна і широко застосовується в тюнінзі і підготовці двигунів для спорту. Але спортсмени можуть поміняти фази тільки перед гонкою, установивши розподільний вал зі зміненими розмірами кулачків. При цьому максимальна віддача від двигуна досягається в досить вузькому діапазоні оборотів. Даючи приріст потужності на "верхах", такий вал неминуче приносить утрату моменту на середніх оборотах або навпаки.
Гонщики справляються з цією незручністю, але далеко не кожному звичайному водієві сподобається їздити, постійно ганяючи стрільцеві тахометра, приміром, між 6500 і 8000 об/хв. Тому фірмою Honda і була розроблена система VTEC, що автоматично змінює фази газорозподілу, для досягнення найкращих характеристик у будь-яких умовах роботи двигуна.
З'явившись у 1990 році, система VTEC двічі модернізувалася, і сьогодні ми маємо справу з її третьою серією, відмінна риса якої в тому, що оптимальний час і величина відкриття впускних клапанів підбирається електронікою для трьох режимів роботи двигуна: на низьких, середніх і високих оборотах. Раніше система розрізняла тільки два режими (низькі і середні обороти були для VTEC єдині).
У зоні низьких оборотів VTEC забезпечує економічний режим роботи двигуна на збідненій паливно-повітряній суміші. На середніх оборотах фази газорозподіли змінюються так, щоб одержати максимальний момент, що крутить. Ну, а коли обороти двигуна високі, система вважає, що вже не до економії, головне - одержати максимальну потужність.