Всем привет))) В этой статье разберемся как работает газораспределительный механизм (ГРМ) любой техники с четырехтактным бензиновым двигателем, будь то мопед, мотоцикл, автомобиль, грузовик или трактор. Рассмотрим особенности ГРМ и что на что влияет.
Раз уж мы будим разбираться в механизме ГРМ, для начала разберемся в различиях двухклапанных и четырехклапанных исполнениях ГРМ, чем обосновано то или иное исполнение механизма.
На иллюстрации ниже в цилиндр диаметром 35мм я попытался максимально плотно разместить два и четыре клапана соответственно.
В соответствии с диаметром клапанов вычислил площадь каждого клапана. В принципе сам диаметр клапана нам не интересен, как я уже писал в статье про "выбор карбюратора", нам важна площадь сечения внутреннего диаметра седла клапана. Проще говоря площадь поперечного сечения проходного канала. Для простоты вычислений будем считать что диаметр клапана равен диаметру отверстия в головке (для иллюстрации выше), так как эти величины имеют прямую зависимость друг от друга. Что мы получим в результате: для двухклапанного исполнения имеем сечение впускного отверстия = 269мм" и выпускного = 154мм", а для четырехклапанного два впускных отверстия сечением по 154мм" (итого 308мм") и два выпускных отверстия сечением по 104мм" (итого 208мм"). В результате исполнение ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр по общей площади проходных сечений впускных и выпускных каналов имеет преимущество перед двухклапанным исполнением более чем на 15%.
Какие еще преимущества четырехклапанного исполнения. Клапана меньше размером, следовательно легче. Инерция на больших оборотах значительно меньше, значит можно крутить двигатель до больших оборотов. При этом использовать более слабые пружины по сравнению с двухклапанным исполнением .
Почему же на мопеде стоит всего два клапана, а не четыре? Да просто четыре клапана дороже двух, четырехклапанное исполнение само по себе дороже и сложнее в изготовлении. А мопед позиционируется как бюджетное транспортное средство. В связи с этим на двигателях объемом 110сс стоит головка от 72сс, соответственно и диаметр клапанов маленький. На 110сс диаметр цилиндра больше чем на 72сс и в головку можно разместить клапана с большим диаметром. Такие головки есть, но это очень большая редкость.
На что влияет проходное сечение канала, особенно впускного. От этого сечения напрямую зависит то, сколько свежего воздуха мы сможем загнать в цилиндр за один такт впуска. В соответствующей пропорции с воздухом карбюратор замешает нам бензин, как следствие какое количество энергии мы получим за один такт рабочего хода после воспламенения этой смеси. Здесь сразу напрашивается термин динамическая степень сжатия. Зачем она нам нужна будем разбираться дальше.
Общепринято говорить о геометрической степени сжатия - это отношение общего объема цилиндра (когда поршень находится в нижней мертвой точке "НМТ") к объему камеры сгорания (когда поршень находится в верхней мертвой точке "ВМТ"). На Альфе этот показатель в районе 8,5:1, критическим для бензиновых двигателей считается отношение 14:1. На что влияет степень сжатия? Этот показатель влияет на температуру топливно воздушной смеси "ТВС" в конце такта сжатия. А теперь придется разобраться в принципе работы двигателя внутреннего сгорания для полного осознания важности этого параметра.
Кратко о работе двигателя: всасываем свежий воздух, параллельно с ним поступает бензин, получаем в цилиндре ТВС, начинаем сжимать эту смесь. Зачем сжимаем - чтобы поднять температуру смеси. Зачем поднимаем температуру - чтобы искра свечи могла поджечь эту смесь. Именно температура сжатой смеси играет ключевую роль в работе двигателя, связано это с тем что бензин имеет свойство самовоспламеняться при температуре около 250'С. Температура воспламенения напрямую зависит от октанового числа бензина, чем выше октановое число, тем выше температура воспламенения, тем выше можно делать степень сжатия двигателя. Почему нельзя поднимать степень сжатия безгранично - если поднять степень сжатия выше критического значения для данного вида топлива (в нашем случае октанового числа бензина) смесь в конце такта сжатия нагреется до критической температуры и самовоспламенится задолго до появления искры на свече, в результате мы получим обратный толчек по поршню, что не есть хорошо. Именно искрой мы контролируем когда смесь должна воспламениться чтобы совершить полезную работу по вращению двигателя в нужном нам направлении.
Все бы было хорошо, если бы геометрическая степень сжатия работала так прямолинейно как хотелось бы, особенно на больших оборотах в режиме максимальной мощности. В действительности же все немного иначе. Двигатель работает, коленвал вращается, поршень ходит, воздух движется, цилиндр большой, отверстия маленькие ... В результате что мы получим - объем цилиндра 100сс, а засосало воздуха всего 70сс, в конце такта сжатия мы получим температуру смеси не расчетные например 230'С, а всего 210'С. Смесь конечно воспламенится, но работы совершит значительно меньше чем могла бы, в следствии меньшего количества поступившей топливно воздушной смеси и часть смеси потратит свою энергию чтобы нагреть большую часть ТВС до температуры воспламенения. Причем чем ниже обороты, тем степень сжатия ближе к геометрической, чем выше обороты - тем большее влияние оказывает динамическая степень сжатия. Этот показатель в большей мере ориентирован на температуру смеси в конце такта сжатия, при этом нужно учитывать что при средних оборотах двигателя мы не можем получить от двигателя максимальную мощность, а следовательно температура всех элементов цилиндропоршневой группы (ЦПГ) будет гораздо ниже чем в режиме максимальной мощности на больших оборотах. В результате образуется температурная полка ТВС, граничащая с температурой самовоспламенения ТВС. На низких оборотах наполнение хорошее и смесь хорошо нагревается от сжатия, при больших оборотах наполнение хуже, нагрев от сжатия меньше, но при этом смесь догревается более горячими элементами ЦПГ. Как только мы сможем максимально набить цилиндр на высоких оборотах, динамическая степень сжатия сразу даст о себе знать в виде обратных толчков и заставит нас сделать паузу в степени форсажа. Придется уменьшать геометрическую степень сжатия, при этом можно будет поднять динамическую степень сжатия, что положительно скажется на максимальной мощности.
Получается у нас есть ограничивающий параметр по набивке цилиндра - это температура самовоспламенения ТВС. На мопеде стоит воздушная система охлаждения и температура ТВС сильно плавает в зависимости от режимов работы двигателя, нагрузки на него и температуры окружающей среды, что также ограничивает степень возможного форсажа двигателя. Поэтому большинство современных двигателей имеют жидкостную систему охлаждения, что позволяет увеличить КПД двигателя поднимая температуру смеси вплотную к температуре самовоспламенения.
Теперь рассмотрим наш случай, как мы можем повлиять на наполнение цилиндра.
Во первых можно расточить внутренний диаметр седла непосредственно до рабочей фаски. Диаметр проходного канала впускного и выпускного седла увеличивается примерно на 1мм. Впускное седло вместо 20мм станет 21мм, площадь сечения увеличится с 314мм" до 346мм". Выпускное седло вместо 17мм станет 18мм, площадь сечения увеличится с 227мм" до 254мм". Как видим площадь сечения увеличивается более чем на 10%, в результате можно предположить что мощность тоже прибавится на 10%. Но не тут то было, площадь то прибавилась, а эту площадь перекрывает клапан, который тоже оказывает сопротивление входящему и выходящему потоку. Представьте себе клапан грузового автомобиля диаметром 50мм который открывается всего на 5мм, выглядеть будет смешно даже далекому от этих дел человеку. Получается чем больше диаметр клапана (в нашем случае отверстие седла, так как клапан остался тот же) тем на большую величину он должен открываться.
Проектировщики двигателей экспериментальным путем вывели закономерность пропускной способности канала в зависимости от высоты подъема клапана. L/D - соотношение высоты подъема клапана к диаметру седла. При L/D=0.3 прирост потока воздуха в канале ГБЦ начинает значительно замедляться. При L/D=0.35 приток воздуха достигает своего максимума. Как пример в нашей головке диаметр впускного отверстия равен 21мм, умножим эту величину на наш коэффициент и получим оптимальное значение подъема клапана 21*0,3=6,3мм желаемый минимум и 21*0,35=7,35мм возможный максимум. Оптимальная величина подъема клапана при диаметре седла лежит в диапазоне от 6,3мм до 7,35мм. Если взять стоковую головку от 72сс до 110сс впускное седло имеет диаметр 20мм и высоту подъема клапана 5,5мм, получается L/D=5,5/20=0,275. До оптимального значения не дотягивает 10%, а до максимума все 25%. В общем есть над чем поработать!!!
Получаем первое требование к спортивному распредвалу: коэффициент L/D должен быть как минимум 0.3, в идеале 0.35.
Как еще можно повлиять на наполнение цилиндра? Можно поиграться с фазами ГРМ, как шириной так и углами открытия и закрытия клапанов. Для этого разберемся с динамическими процессами движения поршня и воздушных масс, после этого можно будет принимать решение что и куда двигать.
Начнем с поршня и коленвала. При вращении коленвала поршень совершает возвратно поступательные движения постоянно то ускоряясь то замедляясь проходя постоянно через нулевую точку, когда поршень просто стоит. Эти точки называются ВМТ ( верхняя мертвая точка) и НМТ (нижняя мертвая точка). В этих точках поршень не совершает абсолютно никакую работу. На такте впуска в НМТ поршень больше не создает разряжение в цилиндре, а следовательно не засасывает свежую порцию смеси. Но при этом давление в цилиндре все еще ниже атмосферного и смесь продолжает поступать в цилиндр. На такте выпуска в ВМТ поршень вытеснил отработавшие газы и давление в цилиндре пытается выравниться с атмосферным. На такте рабочего хода в НМТ рабочие газы больше не могут совершать работу, так как толкать поршень дальше некуда. Эти три базовые точки, которые контролирует механизм ГРМ. Также поршень имеет точки максимальной скорости расположенные на 90' после ВМТ и после НМТ.
Все вроде просто - открывай и закрывай клапана в контрольных точках и будет тебе счастье. Проблема в том что точки эти условные и размазаны во времени. В этих точках проходят переходные процессы обусловленные инерцией воздушных масс и разницей давлений в цилиндре и атмосферным воздухом. Так что это не точки, а целые области. Для лучшего понимания я нарисовал картинку на которой видно на сколько сдвигается поршень при повороте коленвала с шагом в 30'.
Для примера взял коленвал от Альфы 110сс с ходом поршня 49,5мм. На картинке округлил до 50мм. Как видим при повороте коленвала от ВМТ на 30' поршень смещается от ВМТ всего на 3мм. При повороте на следующие 30' он уже проходит 9мм, что в три раза больше первоначального сдвига, это область ускорения поршня. При повороте на следующие 30' поршень проходит столько же, сколько при при повороте на первые 60' от ВМТ, это зона максимальной скорости поршня. После преодоления угла в 90' процесс идет в обратном направлении и поршень начинает замедляться вплоть до полной остановки.
Теперь будем вдаваться в процессы протекающие в каждой из областей и как мы можем повлиять на них.
Начнем с верхней мертвой точки и начала такта впуска. Допустим что в ВМТ 0' начинает открываться впускной клапан, коленвал вращается по часовой стрелке, поршень плавно начинает перемещаться в сторону НМТ. Коленвал уже повернулся на 30', а поршень практически не сдвинулся с места. На такте впуска поршень работает как насос, при движении вниз в цилиндре создается разряжение, давление падает ниже атмосферного, в результате под действием атмосферного давления воздух начинает поступать в цилиндр по впускному каналу. Раз поршень практически никуда не сдвинулся за поворот коленвала на 30', то получается насосного эффекта нет. Технически давление в цилиндре равно атмосферному.
При повороте коленвала с 30' до 60' поршень начинает ускоряться, появляется насосный эффект. Давление в цилиндре падает, воздух начинает поступать в цилиндр.
В диапазоне от 60' до 120' поршень имеет максимальную скорость, в цилиндре максимальное разряжение, скорость воздушного потока во впускном канале достигает своего максимума. Именно в этом диапазоне желательно чтобы открытие впускного клапана было на максимуме.
Начиная со 120' до 150' поршень начинает замедляться, разряжение падает, скорость воздушного потока тоже начинает замедляться.
Приближаемся к концу такта впуска, поршень практически достиг НМТ, но сама НМТ нам не интересна, потому что начиная со 150' поворота коленвала поршень максимально замедлился и практически стоит на месте вплоть до 210'. В этом диапазоне поршень не совершает никакой работы, воздух продолжает поступать в цилиндр под действием атмосферного давления, давление в цилиндре пытается выравниться с атмосферным, происходит так сказать финальная набивка цилиндра, при условии что впускной клапан еще открыт. Получается что нам не обязательно закрывать впускной клапан именно в НМТ (180'), а можно закрыть только при повороте коленвала на 210' (30' после НМТ).
Получается у нас есть фора в 30' после НМТ чтобы максимально наполнить цилиндр свежей смесью.
На этом такт впуска закончился. Переходим к такту сжатия.
В диапазоне с 210' до 240' (c 30' до 60' после НМТ) поршень начинает ускоряться в сторону ВМТ. Воздух в цилиндре начинает сжиматься, давление в цилиндре начинает подниматься выше атмосферного. Если впускной клапан еще не закрыт, свежая смесь начнет выходить из цилиндра обратно во впускной коллектор. Поэтому в начале этого диапазона желательно закрыть впускной клапан, чтобы не потерять драгоценную порцию заряда. В идеале в режиме максимальной мощности попасть в момент когда давление в цилиндре выровнится с давлением во впускном канале, приток свежего воздуха остановится сам по себе. Если в этот момент полностью закрыть клапан наполнение цилиндра будет максимальным. Этот принцип действует на всех оборотах, но чем меньше обороты - тем раньше надо закрыть впускной клапан, чем выше обороты - тем закрытие должно быть более поздним.
При дальнейшем повороте коленвала механизм ГРМ не принимает участия в работе двигателя. Смесь сжимается, поршень приближается к ВМТ. При повороте коленвала на 330' (30' до ВМТ) поршень опять переходит в фазу бездействия. Давление в цилиндре достигает своего максимума, а следовательно и температура смеси.
Смесь технически уже за 30' до ВМТ готова к поджигу. На этом этапе начинает работать система зажигания. Опять таки зона бездействия поршня очень широкая начиная с 30' до ВМТ вплоть до 30' после ВМТ, целых 60' поворота коленвала. Но есть маленький нюанс: температура смеси гораздо выше температуры стенок цилиндра и головки, а днище поршня по температуре близко к температуре смеси (если конечно двигатель прогрет и работает под нагрузкой), иначе и поршень гораздо холоднее сжатой смеси. Получается в этом диапазоне температура смеси начинает падать и как следствие падает давление.
Как же работает зажигание в этом диапазоне? Смесь технически от сжатия нагрета максимально близко к температуре самовоспламенения, нужен небольшой запал чтобы смесь зажглась, эту роль выполняет искра. При подаче искры смесь возле нее воспламеняется, температура в камере сгорания начинает подниматься и достигает температуры воспламенения смеси, вызывая воспламенение оставшейся части смеси в камере сгорания. Смесь разгорается, давление в цилиндре стремительно растет и в определенный момент достигает своего максимума. Этот процесс не происходит моментально, а занимает определенный промежуток времени. Этот промежуток можно считать константой при условии что смесь перед поджигом в любых режимах работы двигателя имеет одинаковую температуру. Запомнили этот момент!!!
Вернемся к зоне бездействия поршня в ВМТ. Если пиковое давление от горения смеси придется к ВМТ, поршень не сможет совершить никакой работы. Он просто будет давить на коленвал, пытаясь выдавить его из картера, а температура двигателя при этом начнет стремительно расти, в общем ничего хорошего. Так же при слишком раннем зажигании велика вероятность детонации. Как мы уже знаем по такту впуска, поршень начнет свое движение только ближе к 30' после ВМТ. Получается нам надо подать искру с таким расчетом, чтобы пиковое давление смеси приходилось примерно к началу этого диапазона. С учетом того что время от начала воспламенения до полного разгорания является константой, в зависимости от оборотов двигателя необходимо менять угол опережения зажигания, чтобы пиковое давление от горения смеси приходилось к нужному моменту поворота коленчатого вала. Таким образом горящая смесь сможет максимально предать свою энергию поршню, а тот в свою очередь коленвалу, заставляя его вращаться. На мопеде углы зажигания фиксированы и если у вас стоит коммутатор с изменяемым углом опережения зажигания то на холостых он составляет 15' до ВМТ, а с увеличением оборотов достигает 30' до ВМТ. Кому интересна тема коммутаторов можете почитать мою статью про коммутаторы.
На автомобилях и нормальной мототехнике блок управления двигателем вычисляет момент подачи искры в зависимости от оборотов и режимов работы двигателя. Вычисление происходит именно по времени, а уже потом временной промежуток переводится в градусы.
Ниже привел графики давления в цилиндре в зависимости от угла опережения зажигания.
Судя по графику оптимальное зажигание в точке S1 и кривая давления №1. Данная кривая максимально приближена к моему пониманию процесса. После пикового давления начинается спад, все пишут что смесь сгорела и давление начинает падать, а я считаю что поршень начал свое движение и камера сгорания активно увеличивается в объеме, в результате чего давление резко начинает падать. И сам угол поворота коленвала, при котором пиковое давление в цилиндре, лежит в районе 30'.
Опять таки в интернете очень много противоречивой информации, концы с концами не срастаются. Все как будто копируют данные с одного "неправильного" учебника, в результате вся страна находится в глобальном непонимании процесса и тотальном заблуждении. Хочу заметить что в научных статьях и учебниках очень много опечаток и ошибок. В результате чтобы впитать правильную информацию нужно самому неплохо разбираться в данном вопросе и физике процессов.
Также хочу отметить что ни на одном из графиков не указывается при каких оборотах двигателя снимаются показания давления в цилиндре. А ведь это имеет не маловажную роль. Кое как раздобыл график углов опережения зажигания и давлений в зависимости от оборотов двигателя.
В технической литературе пишут что точка максимального давления оптимальна при повороте коленвала на 12-15' после ВМТ. При этом двигатель выдает максимальный КПД и максимальную мощность. Получается эта точка оптимальна только на больших оборотах???
Давайте сами разбираться, когда же наиболее выгодно подавать искру, и в какой точке лучше получить максимальное давление. Как мы уже разобрались - поршень начинает совершать работу начиная с 30' поворота коленвала, а максимальную работу совершает в диапазоне от 60' до 120'. Обычно графики приводятся только до 90' поворота коленвала, поэтому будим рассматривать диапазон от 30' до 90'.
Теперь перейдем к сути: получается чем выше давление в цилиндре в диапазоне от 30' до 90', тем большее давление газов на поршень, тем большую работу он совершает, тем мощнее наш двигатель. Получается чем более пологая кривая, тем более продолжительное давление на поршень. Но есть небольшой нюанс, вскоре после прохождения поршнем середины пути в цилиндре, когда коленвал поворачивается более 90', через несколько десятков градусов у большинства моторов начинает открываться выпускной клапан. Отработавшие газы под собственным давлением начинают покидать цилиндр. Получается если смесь сгорела не полностью, она не успела передать всю свою энергию поршню и покинула рабочую зону. При таком раскладе мощность двигателя будет не полной и увеличится расход топлива, в следствии потери части рабочих газов. Исходя из этих рассуждений нам необходимо подобрать угол опережения зажигания с таким расчетом, чтобы именно к началу открытия выпускного клапана смесь полностью сгорела и успела предать всю свою энергию поршню. Как видим из графиков при более раннем зажигании к 90' поворота коленвала давление в цилиндре более низкое, а значит смесь сгорела полностью и успела совершить максимум работы. Но если подать слишком раннюю искру смесь может сгореть слишком рано и последние градусы поворота коленвала перед открытием выпускного клапана будут происходить впустую, а большая часть энергии уйдет на банальный нагрев двигателя пока поршень находился вблизи ВМТ.
Получается угол опережения зажигания указывается на n-ое количество градусов до ВМТ, а сам результат опережения надо смотреть по состоянию рабочих газов в момент начала открытия выпускного клапана. В таком случае ваш двигатель будет работать наиболее эффективно.
Не зря на всей современной технике стоят датчики кислорода, анализирующие насколько полно отработала рабочая смесь!!!
Для мопеда эти технологии на грани фантастики)))
А теперь вернемся к реальности, на каждом двигателе стоит свой распредвал, со своим углом открытия выпускного клапана. На одном и том же двигателе с разным углом открытия выпускного клапана должна стоять своя система зажигания ( углы опережения зажигания настроенные именно под этот распредвал). При более раннем открытии выпускного клапана должно изначально стоять более раннее зажигание, для более позднего открытия выпускного клапана - более позднее зажигание. Для более оборотистых двигателей изменение угла опережения зажигания должно происходить более растянуто во времени, нежели чем у тихоходных двигателей. По этой причине покупаем микропроцессорные DC CDI коммутаторы, с более плавной регулировкой угла опережения зажигания в зависимости от оборотов. А если у вас стоит фазовращатель на выпускном распредвале (относится к более продвинутой технике), то ситуация с регулировкой зажигания усложняется вдвойне.
Возьмем как пример распредвал нашего мопеда, на котором среднестатистически выпускной клапан начинает открываться за 30' до НМТ. Градусы указываются в момент когда клапан уже открылся на 1мм. Указывать градусы в момент открытого состояния клапана на 1мм - это мировой стандарт. Связано это с тем что в таком состоянии пропускная способность канала минимальна, очень близка к нулю. Сравнимо с тем эффектом что я писал в начале статьи про максимально открытое состояние клапана. А неэффективное состояние клапана от 0мм до 1мм очень растянуто во времени и составляет в среднем около 30' поворота коленвала, в общем при маркировке фаз распредвала эти области не учитываются. В России очень часто распредвалы маркируют с учетом этих областей, не редко можно встретить аля спортивный распредвал на ВАЗ с общей фазой выпуска 360', но при этом ни единой цифры о моменте открытия и закрытия клапанов.
Вернемся к распредвалу мопеда. Выпускной клапан открывается за 30' до НМТ. В принципе неплохая точка для открытия выпускного клапана, как мы уже знаем примерно в этот момент поршень переходит в стоячее состояние и престает совершать работу. Нам незачем держать отработанные газы в цилиндре до НМТ, это лишь приведет к перегреву двигателя. Как нам узнать что наш двигатель полностью забрал энергию рабочих газов именно к этому моменту, нет ли преждевременного сгорания смеси, или смесь не успела полностью сгореть и вылетела в трубу? Так как мы пытаемся снять с двигателя максимум, то соответственно рассматриваем работу двигателя в режиме максимальной мощности: "газ в пол" и максимальные обороты. Для данного анализа нам в помощь придет мой метод подбора главного топливного жиклера на карбюратор.
Для начала по моей методике находим комбинацию ГТЖ на которых двигатель выдает максимальную мощность (например 85, 87, 90). Устанавливаем в карбюратор наибольший жиклер при котором двигатель еще выдает максимальную мощность (получается 90). Теперь максимально запиливаем ушки датчика положения коленвала, для возможности перемещения его относительно базового положения. Сдвиг датчика на 1мм равносилен изменению угла зажигания примерно на 1'. Теперь устанавливаем датчик на раннее зажигание, делаем тестовые заезды на максимальную мощность, записываем результаты. Меняем зажигание на более позднее, проводим тесты, записываем результаты. Если более раннее зажигание привело к увеличению мощности, значит до этого смесь сгорала не полностью и покидала цилиндр. Можно продолжать предпринимать попытки в поиске оптимального угла опережения зажигания, параллельно увеличивая ГТЖ. Если более раннее зажигание приводит к уменьшению мощности, значит смесь догорает задолго до открытия выпускного клапана. Нужно пробовать уменьшать угол опережения. В итоге находим угол опережения зажигания при котором двигатель выдает максимальную мощность, после чего необходимо заново правильно подобрать ГТЖ, как описывал в статье по ссылке выше.
Допустим при изменении угла зажигания ваш двигатель прибавил в мощности и при новых тестах ГТЖ полка максимальной мощности получилась не на 85, 87, 90-х жиклерах, а на 87, 90, 92-х жиклерах. Получается оптимальным жиклером теперь будет не 85-й, а 87-й.
Вернемся к распредвалу и моменту открытия выпускного клапана. Как я уже говорил 30' до НМТ это наиболее оптимальная точка открытия, можно сдвигать ее в среднем на 5' в раннюю или позднюю сторону. Для более оборотистых двигателей можно установить 35' до НМТ, при этом тяговитость двигателя падает и максимальная мощность приходит на более высоких оборотах. С таким распредвалом нужно кататься на оборотах близких к максимальным. Если открывать клапан за 25' до НМТ, двигатель становится более тяговитым и максимальная мощность приходит на более низких оборотах. При этом нужно учитывать что для одного и того же двигателя с 35'-ным открытием клапана максимальная мощность будет например на 10000об/мин и будет равна допустим 10л.с., а с 25'-ным открытием клапана максимальная мощность будет доступна уже на 7000 - 8000об/мин но при этом будет всего 7 - 8л.с. и выше ваш двигатель под нагрузкой наврятли будет крутиться.
В каких случаях можно открывать выпускной клапан намного раньше 30' до НМТ? Такое ранее открытие выпускного клапана можно рассматривать в тех случаях когда рабочие газы совершили первоначальный толчек поршня в диапазоне 30' - 90' после ВМТ и скорость поршня выше скорости расширения рабочих газов. Поршень движется по инерции , а рабочие газы не совершают работы, при этом давление в цилиндре остается высоким. Лучше выпустить избыток давления наружу во избежание перегрева двигателя. Такие моменты характерны для высокооборотистых двигателей ,литровая мощность которых переваливает за 200л.с. с одного литра (без турбо). Мы же пытаемся достичь рубежа 100л.с. с одного литра.
С открытием выпускного клапана разобрались 30' до НМТ, край 35' до НМТ если мы сможем раскрутить двигатель до 11000 - 12000 об/мин под нагрузкой.
Разбираемся дальше. Рабочий ход заканчивается, поршень проходит НМТ, выпускной клапан давно открыт, основное давление газов сброшено, давление в цилиндре стремится к атмосферному. Коленвал поворачивается на 30' после НМТ, поршень начинает движение в сторону ВМТ при этом выталкивая остатки отработавших газов, давление в цилиндре чуть выше атмосферного. С 60' до 120' поршень имеет максимальную скорость, а следовательно выхлопные газы имеют максимальную скорость в выпускном канале. Как обычно в диапазоне от 60' до 30' до ВМТ поршень начинает замедляться и в положении 30' до ВМТ практически не движется. В этом диапазоне, когда поршень начинает замедляться в плоть до полной остановки, выхлопные газы по инерции продолжают покидать цилиндр, создавая разряжение в цилиндре. По аналогии с впускным клапаном можно подождать пока коленвал повернется еще на 30' после ВМТ и закрыть выпускной клапан к моменту начала движения поршня вниз. По умолчанию впускной клапан у нас открывается в ВМТ. Получается впускной и выпускной клапан в ВМТ открыты, все называют это перекрытием клапанов. Всякие "НЕДОТЮНЕРЫ" не понимая физики процессов просто подгоняют одинаковое открытие впускного и выпускного клапана к ВМТ. Это не правильно.
Теперь давайте разбираться почему. Как я уже сказал начиная с 30' до ВМТ отработавшие газы по инерции покидают цилиндр, создавая небольшое разряжение в цилиндре. Если во время этого разряжения приоткрыть впускной клапан, свежая смесь под действием атмосферного давления начнет поступать в цилиндр, частично заместив отработанные газы. Нюанс инерции отработавших газов в выпускном канале заключается в том, что инерция протекает во времени, занимая определенный промежуток, слабо зависящий от оборотов двигателя. При этом время прохождения коленвалом промежутка в 30' на разных оборотах будет отличаться в разы. Например диапазон от 30' до ВМТ до самой ВМТ на холостых оборотах (1500об/мин) коленвал поворачивается за 3,3мкс, а при 9000об/мин всего за 0,55мкс. Сама точка начала инерционного выхода газов, с ростом оборотов, плавно смещается от 30' до ВМТ в сторону самой ВМТ буквально на несколько градусов, так что этим смещением будем пренебрегать.
Теперь рассмотрим сам инерционный процесс во времени. Предположим что инерция выхлопных газов длится 1мкс. Точка начала инерционного процесса находится приблизительно в 30' до ВМТ. Впускной клапан по прежнему начинает открываться ровно в ВМТ. Выпускной клапан тоже закрывается ровно в ВМТ. Кстати стандартный распредвал от Альфы имеет именно такие углы закрытия выпускного и открытия впускного клапана. Кам мы помним когда я говорю открывается и закрывается, я имею в виду что клапан находится в приоткрытом состоянии на 1мм. Визуально в ВМТ у нас будет перекрытие клапанов, но из-за малой пропускной способности канала в таком состоянии, технического перекрытия клапанов не будет.
Первый вариант: двигатель работает на холостых оборотах 1500об/мин. Время необходимое для поворота коленвала с точки 30' до ВМТ до самой ВМТ занимает как я уже писал выше 3,3мкс. В три раза дольше чем протекает сам инерционный процесс. Получается что в точке 20' до ВМТ инерционный процесс выхода выхлопных газов закончился. После отметки 20' до ВМТ на холостых оборотах разряжение уменьшается, давление в цилиндре стремится к атмосферному, в результате выхлопные газы из выпускного канала начинают поступать обратно в цилиндр. К ВМТ цилиндр полон отработанных газов, а точнее камера сгорания, давление в цилиндре близко к атмосферному, из-за этого при открытии впускного клапана смесь не может попасть в цилиндр. Приток свежей смеси начнется только при достижении коленвала отметки 30' после ВМТ когда поршень начнет свое движение вниз. Это мы уже знаем из начала статьи по такту впуска. При степени сжатия двигателя 10:1 на такте впуска к НМТ состав смеси будет как минимум на 10% состоять из отработанных газов. В результате недополучим 10% возможной мощности двигателя. Если степень сжатия ниже, свежая смесь будет содержать еще больше отработанных газов, так как камера сгорания больше.
Получается на холостых оборотах перекрытие клапанов оказывает отрицательный эффект. Но это не критично, так как двигатель работает под малой нагрузкой, а наша основная задача - максимальная мощность.
Вариант второй: двигатель работает на средних оборотах 4500об/мин. Время необходимое для поворота коленвала с точки 30' до ВМТ до самой ВМТ теперь занимает 1,1мкс. Практически столько же, сколько и сам инерционный процесс выхода отработанных газов. Получается инерционный процесс закончится ровно в ВМТ и выпускной клапан закроется в ВМТ. В цилиндре будет небольшое разряжение, а значит и отработанных газов будет меньше, чем могло бы быть при атмосферном давлении в цилиндре. В тот же момент открывается впускной клапан. Из-за создавшегося разряжения свежая сесь начинает поступать в цилиндр под действием атмосферного давления, заполняя объем камеры сгорания, при этом поршень стоит на месте. В результате к концу такта впуска содержание отработанных газов в свежей смеси будет всего 7%, вместо 10% в режиме холостого хода. Так как в ВМТ оба клапана приоткрыты на 1мм и пропускная способность каналов хоть и мала, но присутствует, во время инерционного выхода выхлопных газов происходит поступление свежей смеси, так сказать камера сгорания продувается свежей смесью. На средних оборотах происходит только частична продувка, с ростом оборотов этот процесс усиливается.
Третий вариант: двигатель работает на максимальных оборотах 9000об/мин. Время необходимое для поворота коленвала с точки 30' до ВМТ до самой ВМТ теперь занимает 0,55мкс. Почти в два раза меньше чем время инерционного выхода отработанных газов. Получается коленвал успеет повернуться на 25' после ВМТ к тому моменту как инерционный процесс закончится. А как мы помним фактическое движение поршня начинается на отметке 30' после ВМТ, вместе с этим начинается и всос свежей смеси. Но так как выпускной клапан давно закрыт, инерционный процесс заканчивается в выпускном канале создавая также разряжение за клапаном. Все же само разряжение в ВМТ было гораздо сильнее чем на средних оборотах и мы смогли заместить больше отработанных газов свежей смесью. В принципе даже может произойти полная продувка камеры сгорания, отработанные газы останутся только в не продуваемых закромах камеры сгорания. Опять прибавка к мощности.
Так как разряжение на максимальных оборотах в градусах поворота коленвала протекает гораздо дольше и инерцию выпускных газов мы использовали как-будто на половину, давайте попробуем закрыть выпускной клапан не в ВМТ, а после ВМТ на те самые недостающие 25'. Получается после ВМТ оба клапана открыты (отрыты более чем на 1мм), отработанные газы по инерции покидают камеру сгорания, относительно легко завлекая за собой свежую смесь. В результате свежая смесь минуя камеру сгорания попадает в выпускной канал, получаем излишнюю продувку камеры сгорания. На мощность это никак не влияет, а вот расход топлива значительно возрастает, так как часть свежей смеси попросту вылетело в трубу.
Теперь рассмотрим запаздывающее закрытие выпускного клапана на средних оборотах. Инерционные процессы заканчиваются в ВМТ, так же в ВМТ начинает открываться впускной клапан, происходит частичная продувка камеры сгорания. Коленвал поворачивается на 12,5', в этот момент впускной и выпускной клапан открыты на одинаковую величину, поршень до сих пор практически неподвижен. Давление в камере сгорания стремится к атмосферному, фактически цилиндр начинает наполняться с двух каналов: впускного и выпускного в равной степени. Отработанные газы опять пытаются частично наполнить цилиндр, опять потеря мощности.
В режиме холостого хода практически ничего не поменяется по отношению к стандартному открытию и закрытию клапанов. Приток свежей смеси начнется только после начала движения поршня, а значит после поворота коленвала на 30' после ВМТ.
Если закрытие выпускного клапана сделать за крайней точкой в 30' после ВМТ, когда поршень фактически начинает создавать разряжение в цилиндре, все эффекты от продувки будут лишены смысла. Так как на такте впуска будут открыты оба клапана и наполнение цилиндра будет происходить как свежей смесью так и отработавшими газами. Причем чем ниже обороты, тем большее влияние будет оказывать открытый выпускной клапан, ухудшая наполнение цилиндра свежей смесью.
Учитывая все эти нюансы оптимальным будет закрыть выпускной клапан ровно к ВМТ, таким образом мы получим частичную продувку на средних оборотах и оптимальную - на высоких. Если вам нужна лучшая продувка на высоких оборотах, угол закрытия выпускного клапана можно сделать с запаздыванием на 5' после ВМТ, при этом ухудшаются характеристики на средних оборотах.
Вот теперь пришел момент рассуждать о начале открытия впускного клапана. На него прямым образом влияет начало инерционного выхода отработанных газов, который имеет свой пик в районе 30' до ВМТ. Получается если открыть впускной клапан с опережением до ВМТ мы улучшим продувку на средних оборотах, так как мы успеем использовать энергию инерционного выхода отработанных газов, которые заканчиваются ближе к ВМТ при средних оборотах. Параллельно улучшится продувка на высоких оборотах, а скорее всего мы получим передув и перерасход топлива при максимальной мощности. Показателем будет алая приемная труба глушителя. С опережением открытия впускного клапана лучше не "борщить" - 10 - 15' до ВМТ будет за глаза. Иначе клапан встретится с поршнем либо сами клапана (впускной и выпускной) перехлестнутся во время перекрытия. Еще раз повторюсь, более раннее открытие впускного клапана в основном влияет на режим средних оборотов двигателя, актуально для тех кто любит ездить в натяг. В то же время актуально для распредвалов, настроенных на раскрутку двигателя до максимальных оборотов и снятия повышенной мощности, иначе двигатель будет тупить на средних оборотах и подрываться на высоких, проще говоря будет не эластичным. При этом получаем повышенный расход топлива на максимальных оборотах без прибавки мощности.
Вроде со всем разобрались, теперь подъитожим вышеизложенное.
По итогу получаем такой распредвал:
IN opens 10-15' BTDC at 1mm
IN closes 30-35' ABDC at 1mm
EX opens 30-35' BBDC at 1mm
EX closes 0-5' ATDC at 1mm
Подъем выпускного клапана (седло 18мм): 5,4 - 6,3мм
Подъем впускного клапана (седло 21мм): 6,3 - 7,35мм
Вот такой должен быть спортивный распредвал для Альфы!!!
Тюнингуйте свой двигатель правильно. Ставьте лайки, подписывайтесь на канал, задавайте вопросы, оставляйте комментарии.
Всем удачи)))