Ремонт и техническое обслуживание TOYOTA MARK II, CHASER, CRESTA

Аналогично находится область  ФГР, в которой обеспечивается минимальное  значение . В пределах найденных областей ФГР для и значения   и следует выставить такими, чтобы они, по возможности, обеспечивали получение во всем скоростном диапазоне как , так и .

Заметим, что приведенную выше задачу можно решить с минимальными затратами  времени и материальных ресурсов, если для оптимизации ФГР воспользоваться  методом градиента, известным из теории планирования эксперимента.

В качестве отправного момента в  первом приближении для автомобильных  двигателей можно принять ФГР, приведенные  в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Следует заметить, что точно выставить  фазы газораспределения можно лишь в случае, когда указывается, при  каком значении зазора в приводе  клапанов эти фазы имеют место.

Применительно к карбюраторным  двигателям необходимо также учитывать, что слишком раннее открытие впускных клапанов при работе на частичных  нагрузках ведет к забросу  отработавших газов во впускной трубопровод, что ухудшает воспламеняемость горючей  смеси.

Для расширения скоростного диапазона  устойчивой работы наиболее высокооборотных  бензиновых двигателей в отдельных  случаях применяется автоматическая регулировка фаз газораспределения  во всем диапазоне частоты вращения KB непосредственно во время работы двигателя. В качестве примера можно  сослаться на устанавливаемый на автомобили BMW 320i и 325i однорядный 6-цилиндровый  бензиновый двигатель М-50, который (начиная  с сентября 1992 г.) оснащен механизмом динамической регулировки фаз газораспределения, получившим сокращенное обозначение VANOS (от немецкого словосочетания variable Nockenwellensteuerung). Исполнительный механизм включает в себя расположенный в  корпусе поршень, переходящий в  шток с винтовыми шлицами. Эти  шлицы входят в зацепление с соответствующими шлицами, выполненными в зубчатом колесе для привода распределительного вала, управляющего впускными клапанами. Перемещение поршня и его штока  в направлении оси распределительного вала приводит к изменению взаимного  положения зубчатого колеса и  вала. При этом ход поршня и обусловленное  им изменение положения распределительного вала зависят от давления масла, подводимого  к корпусу исполнительного механизма  по отдельному маслопроводу. Блок управления двигателем с помощью электромагнитного  клапана, расположенного в корпусе  исполнительного механизма, регулирует давление масла в зависимости  от частоты вращения КВ.

Рис. 2.4. Изменение коэффициента наполнения при работе двигателя  по внешней скоростной характеристике при быстроходной (1) и тихоходной (2) регулировке фаз газораспределения

Применение этого механизма  позволило уменьшить значение скоростного  коэффициента с 0,797 до 0,712 при практически неизменном значении коэффициента приспособляемости = 1,074. В данном случае механизм VANOS, плавно изменяя момент открытия впускных клапанов в зависимости от скоростного режима, обеспечивает максимальные значения во всем диапазоне частоты вращения КВ. Качественный характер изменения в зависимости от вида регулировки показан на рис 2.4.

Из рисунка видно, что с увеличением  частоты вращения KB максимальное значение имеет тенденцию к снижению вследствие возрастания аэродинамических потерь из-за повышения скорости воздушного потока во впускном тракте.

Совершенно очевидно, что подобный тюнинг ГРМ под силу выполнить  только самому предприятию-изготовителю двигателя, так как для этого  требуется мощная экспериментальная  и производственная база. Наибольшее, что доступно обычному предприятию  автосервиса, - это подбор эффективных  фаз газораспределения путем  изменения взаимного положения  распределительного и коленчатого  валов. В лучшем случае - это изготовление нового распределительного вала с измененными  профилями и углами заклинки кулачков.

3.  МОДЕРНИЗАЦИЯ ВПУСКНОГО ТРАКТА  СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

Впускной тракт служит для подвода  свежего заряда (горючей смеси  или воздуха) к цилиндрам двигателя. Впускной тракт включает в себя заборник атмосферного воздуха, впускные трубопроводы, воздушный фильтр, устанавливаемый  в разрыв впускных трубопроводов, впускной коллектор, впускные патрубки и впускные каналы головки цилиндров. В карбюраторных  двигателях перед впускным коллектором располагается карбюратор, поэтому часть впускного тракта от карбюратора до впускных клапанов оказывает существенное влияние на процесс смесеобразования и распределения горючей смеси по цилиндрам двигателя.

Параметры впускного тракта оказывает  очень сильное влияние на характер изменения мощности и крутящего  момента. За счет правильного определения  размеров трубопроводов и настройки  впускного тракта можно добиться значительно большего наполнения цилиндров, чем, к примеру, путем совершенствования  формы изгибов трубопроводов  выпускной системы.

Основные требования, предъявляемые  к впускному тракту, заключаются  в обеспечении минимального сопротивления  на впуске и равномерном распределении  горючей смеси по цилиндрам двигателя.

Обеспечение минимального сопротивления  на впуске достигается путем устранения шероховатости внутренних стенок трубопроводов, а также резких изменений направления  потока и устранения внезапный сужений  и расширений тракта. Поскольку гидравлические потери в проходном сечении выпускных  клапанов оказывают на наполнение цилиндров  значительно меньшее влияние, чем  потери в проходном сечении впускных, то для увеличения коэффициента наполнения диаметр впускного клапана увеличивают за счет уменьшения диаметра выпускного. В наиболее форсированных двигателях на один цилиндр делают 2, а иногда даже 3 впускных клапана.

Выбор количества впускных клапанов в головке цилиндров делается с учетом многих факторов. Для лучшей закрутки воздушного заряда на впуске автомобильных дизельных двигателей с диаметром цилиндра менее 150 мм применяют головки цилиндров  со спиральными впускными каналами и одним впускным клапаном на цилиндр. В этом случае интенсивность вращения заряда в цилиндре оказывается в 1,5 и более раз выше, чем при  наличии двух впускных клапанов. Некоторым  уменьшением значения при наличии одного впускного клапана на цилиндр при этом пренебрегают, так как воздуха для полного сгорания поданного в цилиндр топлива оказывается вполне достаточно. Форма спирали впускного канала подбирается такой, чтобы закрутка заряда обеспечивала наиболее эффективное смесеобразование. Попутно заметим, что в процессе пуска дизельного двигателя при низких температурах окружающей среды закрутка заряда приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения топлива, что ухудшает пусковые качества двигателя [1]. Добиться улучшения пусковых качеств двигателя можно путем установки шибера между впускными патрубками и впускными каналами. На период пуска шибер ставится водителем в положение, при котором площадь сечения впускных каналов в головке цилиндров перекрывается примерно на 80%. Этого оказывается достаточно для того, чтобы уменьшить вращение заряда в цилиндре и обеспечить надежный пуск дизельного двигателя (без применения прочих средств облегчения пуска) при температуре окружающей среды до - 21 °С.

В бензиновых двигателях, наоборот, предпочтение отдается более эффективному наполнению цилиндров, так как количество поступившей  в цилиндры горючей смеси непосредственно  сказывается на мощности. Более высокие  значения достигаются при наличии двух впускных клапанов на цилиндр.

Уменьшение сопротивления на впуске за счет уменьшения скорости потока путем  увеличения сечений трубопроводов  не всегда возможно по нескольким причинам. Во-первых, при увеличении сечений  трубопроводов возрастают габариты и масса двигателя, во-вторых, снижение скорости потока уменьшает турбулизацию свежего заряда при поступлении  его в цилиндры, в результате чего происходит ухудшение качества смесеобразования как в бензиновых, так и в  дизельных двигателях.

Для равномерного распределения свежего  заряда по цилиндрам впускному тракту придают симметричную форму. Наиболее важно это для двигателей с  внешним смесеобразованием, у которых  процесс смесеобразования начинается в карбюраторе. При таком смесеобразовании важно обеспечить не только равномерное  наполнение цилиндров, но и одинаковый качественный состав поступающей в  цилиндры смеси. По этой причине в  карбюраторных двигателях впускная система должна иметь не только пространственную симметрию, но и симметрию по времени. Последнее означает, что проходящая через дроссельную заслонку порция смеси должна подходить к впускным каналам всех цилиндров за одинаковое время. Возможные схемы расположения впускных трубопроводов показаны на рис. 3.1.

На рис.3.1 а, показана наиболее распространенная схема, при использовании которой  в цилиндры 2 и 3 поступает более  обогащенная смесь, что особенно характерно при работе двигателя на частичных нагрузках. Это обусловлено тем, что при недостаточно высокой скорости воздушного потока на внутренних стенках впускного коллектора за карбюратором образуется пленка топлива. Эта пленка, особенно при низкой температуре окружающей среды, не всегда успевает испариться и достигает впускных каналов в головке цилиндров, - в первую очередь тех, расстояние до которых короче.

Рис. 3.1. Схема впускного  коллектора: а - с пространственной симметрией; б - с пространственно-временной  симметрией: 1 - впускной коллектор; 2 - блок цилиндров двигателя; 3 - выпускной  коллектор

Однако и в случае впускного  коллектора с пространственно-временной  симметрией (рис. 3.1, б) поступающая в  цилиндры двигателя горючая смесь  при работе на частичных нагрузках  также может существенно отличаться по составу. Причина этого явления  в том, что при частичном открытии дроссельной заслонки происходит отклонение потока горючей смеси от прямолинейного движения. В результате такого отклонения наиболее обогащенная смесь поступает  в те цилиндры, в сторону которых  поток отклоняется.

Уменьшить влияние положения дроссельной  заслонки на распределение смеси  по цилиндрам позволяют предварительный  подогрев смеси от стенок впускного  тракта и изменение направления  потока топливо-воздушной смеси.

Подогрев стенок ускоряет процесс  испарения бензина и способствует образованию смеси более равномерного состава. Обычно подогрев стенок впускного  тракта осуществляется или жидкостью  системы охлаждения двигателя, или  за счет теплоты выпускного коллектора, когда системы впуска и выпуска  располагаются с одной стороны  блока цилиндров.

Изменение направления воздушного потока для обеспечения более  равномерного состава смеси на впуске в цилиндры использовалось, в частности, на 4-цилиндровых бензиновых двигателях М40, устанавливавшихся на автомобили BMW 316i и 318i до августа 1993 г. После воздушной заслонки воздух поступал в центральную часть впускного коллектора, расположенного над клапанными форсунками (инжекторами), откуда распределялся по цилиндрам через впускные патрубки определенной длины, изменявшими направление воздушного потока на 180°.

И все же внутреннее сопротивление  и трение о стенки движущегося  потока воздуха - это только один, хотя и немаловажный, аспект при рассмотрении впускного тракта. Для улучшения  коэффициента наполнения намного важнее использовать возникающие во впускной системе волновые явления. Эти волновые явления возникают во впускных трубопроводах в результате цикличного поступления воздуха в цилиндры двигателя. Когда впускная система является общей для нескольких цилиндров, то волновые явления во впускном патрубке одного цилиндра сказываются на колебательных процессах в патрубках остальных цилиндров. И чем больше цилиндров объединяет одна впускная система, тем труднее выполнить ее настройку, в том числе и по причине ограниченности объема моторного отсека.

Конструкция эффективной впускной системы часто является результатом  сложных расчетов волновой системы, которые непременно должны проверяться  экспериментально. Крайне важной для  характеристики мощности и крутящего  момента оказывается длина впускного (волнового) трубопровода.  Принципиальным при этом является то, что короткие впускные трубопроводы смещают максимум наполнения, характеризуемый коэффициентом  наполнения , в область высоких частот вращения KB, а длинные впускные трубопроводы обеспечивают хорошее наполнение и соответственно высокий крутящий момент при низких частотах. С учетом этого двигатели гоночных автомобилей, рассчитанные на максимальную мощность, снабжаются, как правило, относительно короткими впускными трубопроводами. Двигателям грузовых автомобилей, которые должны развивать хорошую силу тяги при низкой частоте вращения KB, требуются волновые трубопроводы большей длины. При этом длинные трубопроводы улучшают наполнение цилиндров в области низкой частоты вращения, однако при увеличении частоты вращения KB кривая мощности становится более пологой (рост мощности замедляется), а крутящий момент может сильно снизиться. Таким образом,  при жестких, нерегулируемых впускных трубопроводах имеет место обычная альтернатива: или хороший крутящий момент в диапазоне низких частот вращения и пониженная номинальная мощность, или высокая номинальная мощность и уменьшенная сила тяги при низких частотах вращения КВ.