2.6.3. Перспективы совершенствования газораспределительного механизма

На внешней скоростной характеристике двигателя (см. рис. 2.9 и 2.10) виден «горб» на кривой эффективного вращающего момента Ме. Причина возникновения «горба» в том, что фазы открывания клапанов настроены на единственную частоту вращения, которая как раз и соответствует его центру. На других частотах наполнение цилиндров ухудшается и величина Ме снижается.

В быстроходных двигателях впускной клапан закрывается позже прихода поршня в НМТ, и в начале такта сжатия за счет инерции потока происходит дозарядка цилиндра свежим зарядом. При высоких частотах вращения впускной клапан закрывается раньше оптимального момента, т. е. часть потока рабочей смеси не попадает в цилиндр; при низкой частоте вращения проблема иная — впускной клапан закрывается позже оптимального момента, и часть рабочей смеси выбрасывается обратно во впускной коллектор движущимся вверх поршнем. Схожие процессы возможны, если выпускные клапаны открываются раньше, чем поршень достигает НМТ. Когда при высокой частоте вращения коленчатого вала их открывание запаздывает, поршень на такте выпуска тормозится излишним давлением продуктов сгорания. При низкой частоте вращения, наоборот, если давление падает слишком рано, то горячие продукты сгорания «вылетают в трубу», не совершив работу перемещения поршня вниз в конце такта рабочего хода. Таким образом, при высокой частоте вращения нужны «широкие» фазы, а при низких — «узкие» для улучшения наполнения цилиндров, а следовательно, и для увеличения мощности и вращающего момента, снижения расхода топлива, уменьшения количества вредных веществ в отработавших газах.

Решить эту проблему позволяют устройства для регулировки фаз газораспределения. Конструкция таких устройств может быть разной. Например, не меняя профиля кулачков распределительного вала, уменьшают высоту подъема клапанов на низких оборотах, обеспечивая сужение фаз. Конструктивно это можно осуществить разными путями, например, перемещая ось коромысел в вертикальном или поперечном направлении. В первом случае возникает зазор между кулачком и коромыслом, во втором меняется соотношение плеч коромысел.

Можно также предусмотреть дополнительный управляющий клапан в гидротолкателях для осуществления необходимого «мертвого хода», и клапаны будут открываться позже. Помимо обеспечения хорошей тяги во всем диапазоне оборотов подобные конструкции позволяют отказаться от дроссельной заслонки, регулируя наполнение цилиндров только длительностью фазы впуска.

Как вариант конструкции используют распределительный вал с широкими кулачками сложной формы, профиль которых меняется подлине, и изменение фаз осуществляется при осевом перемещении распределительного вала. Можно иметь несколько кулачков для каждого клапана (или пары клапанов) и переключаться между ними по мере необходимости.

Кроме того, изменяя угловое положение распределительного вала относительно его приводной звездочки с помощью сервопривода, можно сдвигать фазы газораспределения в ту или иную сторону.

Для увеличения вращающего момента и мощности двигателя можно изменять высоту подъема клапана в зависимости от режима работы двигателя.

Например, дополнительный кулачковый вал управляет рычагами, которые ограничивают ход впускных клапанов. Дроссельная заслонка, создающая воздуху дополнительное сопротивление, на основных режимах не нужна. Правда, окончательно от нее пока не отказались — она работает при прогреве и в аварийном режиме. При низких и средних нагрузках такая система экономит около 10 % топлива.

Существуют также конструкции газораспределительного механизма, в которых с помощью углового смещения распределительного вала изменяются фазы газораспределения и высота подъема клапанов (рис. 2.33).

Газораспределительный механизм с изменяющимися фазами газораспределения и высотой подъема клапанов

Рис. 2.33. Газораспределительный механизм с изменяющимися фазами газораспределения и высотой подъема клапанов:
1 — распределительный вал; 2 — комбинированный кулачок; 3 — клапан; 4 — пружина; 5 — толкатель; 6 — механизм углового перемещения распределительного вала; ↔ — направление перемещения механизма изменения фаз и высоты подъема клапанов; — направление поворота распределительного вала;→→ — изменение высоты подъема клапанов

Разрабатываются конструкции двигателей с электромагнитным приводом клапанов: открывание и закрывание клапанов электромагнитами должно происходить под контролем электроники (управляющая программа в зависимости от частоты вращения, нагрузки и температуры в нужный момент дает команды на их открывание и закрывание).

Один из способов увеличения вращающего момента и мощности двигателя основан на изменении давления воздуха на впуске. Многие производители двигателей уже делают впускные трубопроводы с изменяемой геометрией, когда на минимальных оборотах воздух к камере сгорания поступает по длинному пути, а при повышенной частоте вращения открывается короткий трубопровод. В ближайшей перспективе длину впускных каналов будут изменять не ступенчато, а плавно.