Современные системы управления газообменом двигателей внутреннего сгорания (обзор)

ТРАНСПОРТ

УДК 621.43

А.В. Ахромешин

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗООБМЕНОМ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Рассматриваются основные механизмы управления газораспределением современных ДВС, приводятся классификация данных систем, а также сравнение режимов работы двигателя и эффекта, достигаемого за счет изменения фао газораспределения и высоты подъема клапана.

В настоящее время конструкции ДВС постоянно усложняются. Связано это с целым рядом причин: ужесточением экологических требований по составу отработавших газов, постоянным ростом цен на нефть и ее производные, научно-техническим прогрессом в двигателестроении и смежных областях, острой конкуренцией мировых лидеров автомобилестроения, а также с появлением новых сильных игроков из развивающихся стран.

Традиционные системы газораспределения практически полностью исчерпали потенциал для дальнейшего усовершенствования. Сегодня все чаще встречаются механизмы, обеспечивающие изменение фаз газораспределения (ФГР) и закон подъема клапана.

Первый патент на двигатель с изменяемыми фазами газораспределения был получен Самуэлем Хальтенбергером в 1918 год (патент №2 ББ368775) [2].

Традиционные конструкции механизмов газораспределения (МГР) обеспечивают работу двигателя с постоянными фазами газораспределения и величинами подъема клапанов на всех скоростных режимах работы двигателя. Это предопределяет получение высоких значений крутящего момента в ограниченной фиксированной области частот вращения коленчатого вала.

Современные ДВС, как правило, оснащаются устройствами регулирования фа газораспределения и высоты подъема клапанов. Эти системы

получают команды от электронного блока управления двигателем, настраиваемого на получене желаемых характеристик.

Системы управления процессами газообмена с применением устройств управления фазами газораспределения и регулирования высоты подъема клапанов выполняют все более широкие функции. В частности, в большей степени участвуют в формировании внешней скоростной характеристики (оптимизация наполнения на нескольких режимах или во всем рабочем диапазоне частот вращения коле тато го вала) и управлении нагрузочными режимами его работы (регулирование мощности двигателя).

Наичие системы гаораспределения с переменными фазами позволяет откааться от дополнительных систем обезвреживания отработавши гаов (ОГ), таких, как рециркуляция ОГ, в результате чего уменьшается себестоимость двигателя [5].

Применение данных систем дает следующие преимущества [1]:

- увеличение выходной мощности двигателя;

- благоприятную характеристику изменения крутящего момента (крива) в широком диапаоне оборотов коленчатого ваа;

- снижение выбросов вредных веществ с ОГ;

- уменьшение расхода топ лив а;

- снижение шумности двигателя.

Раличаюттри основных способа управления фаами гаораспреде-ления и законами подъема клапанов [3]:

- изменение фа при постоянном времясечении;

- изменение фа и времясечения;

- изменение времясечения пи постоянных фазах.

В зависимости от механизма управления различают следующие способы регулирования фа гаораспределения:

- за счет поворота распределительного вма [10, 12, 13, 15, 17, 18, 20, 22,24-27,32];

- использование кулачков с раличными профилями на распре делительном вау [6-S, 11, 16-18, 23, 24, 2S-31, 33];

- полноварианное гаораспределение посредством распределительного ваа [2];

- полновариантное гаораспределение и изменение высоты подъема клапана без использования распределительного ваа [19].

Механизмы, позволяющие изменять высоту подъема клапана, ра-личают по тип пиво да, применяемого в конструкции:

- с механическим приводом [9,19, 21];

- с электромагнитным приводом [14];

- с электрогвдравлическим приводом [21].

Кроме того, существуют системы с непрерывной и ступенчатой регулировкой ФГР.

В таблице представлено сопоставление режимов работы двигателя и эффектов от применения переменных ФГР и высоты подъема клапана.

Соответствие режимов работы ДВС (бензинового) и ФГР

\ Обороты \ КВ Пара- \ метры \ Минимальные рабочие обороты двигателя

ФРГ Задержка открытия впускных клапанов, малая продолжительность перекрытия клапанов либо полное отсутствие Раннее открытие впускных клапанов, увеличивающее продолжит. их перекрытия Запаздывание закрытия впускных клапанов

Ход клапана Минимальный Небольшой Не большой Максимальный

ТВС Обедненная Обеднен на Нормальная Нормальная

Доля оста-точныхОГ Минимальная Небольшая Высока Высока

Эффект от изменения ФГР Уменьшение минимально допустимых оборотов двигателя, обеспечивающих его устойчивую работу, расход топлива минимален У величение скорости продувки и наполнения цилиндра, плотности ТВС внутри цилиндра, турбулентности потока свежего заряда Максимальный крутящий момент, уменьшение максимальной температуры в цилиндре и, как следствие, снижение количества оксидов лота У величение максим альной мощности двигателя, снижение токсичности ОГ, наилучшая вентиляция и наполнение цилиндра ТВС

Рассмотрим особенности современных систем изменения ФГР и высоты подъема клапана, получивших наибольшее практическое распространение.

1. Система VVT-i (Variable Valve Timing intelligent) фирмы “Toyota”.

Данная система позволяет плавно изменять фазы газораспределения в зависимости от режимов работы двигателя путем поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных (в диапазоне 40-60° УПКВ). Исполнительный механизм системы показан на рис. 1.

Основные элементы системы VVT-i:

1. Электронное управляющее устройство, вычисляющее синхронизацию клапана для оптимального впуска.

2. Масляный управляющий клапан для управления шкивом УУТ-і по командам электронного управляющего устройства.

3. Масляный управляющий клапан для управления механизмом переключения кулачка (для изменения синхронизации и высоты подъема клапанов).

4. Шкив УУТ для непрерывного изменения фа гаораспределения в зависимости от давления масла.

при остановке а работе Рис. 1. Исполнительный механизм системы VVT-i

Данный механизм рамещен в шкиве распределительного вала - корпус привода соединен со звездочкой или зубчатым шкивом, ротор - с распределительным валом. Масло подводится с одной или другой стороні каждого из лепестков ротора, заставляя его и сам вал поворачиваться. Управление VVT-i осуществляется пи помощи клапана OCV (Oil Control Valve). По сигналу блок управления электромагнит через плунжер перемещает основной золотник, перепуская масло в том или ином направлении. Когда двигатель заглушен, золотник перемещается пружиной таким обраом, чтобы установился максимальній угол задержки.

Изменение синхронизации открытия впускных клапанов увеличивает наполнение цилиндров воздухом и, как следствие, количество топлива, подаваемого в камеру сгорания. Система VVT-i обеспечивает большую экономию топлива и эффективно снижает выбросы вредных продуктов сгорания, исключая необходимость применения рециркуляции выхлопных гаов.

2. Системы изменения фаз газораспределения VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) фирмы “Honda”

Впервые механизм данного типа применили на серийном автомобиле в 1989 году (модель Honda Integra). На сегодняшний день существуют несколько разновидностей конструкций: DOHC VTEC, SOHC VTEC,

SOHC VTEC-E, 3-stage SOHC VTEC, Hyper VTEC. Последняя разработка компании в области создания систем управления газораспределительного механизма называется i-VTEC (intelligent).

На рис. 2 представлена принципиальная схема системы: DOHC (Double OverHead Camshaft) VTEC.

Рис. 2. Система DOHC VTEC фирмы “Honda”

В механизме данного типа высота подъема клапана осуществляется путем изменения высоты кулачка распределительного вала, воздействующего через коромысло на клапан. 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.

Механизмы данного типа работают ступенчато, число ступеней зависит от количества кулачков. В зоне низкой частоты вращения коленчатого вала система VTEC обеспечивает экономичный режим работы двигателя на обедненной топлив но-воздушной смеси. На средней частоте вращения коленчатого вала величина открытия клапанов изменяется так, чтобы получить максимальній круттщий момент. При высокой частоте вращения коленчатого вала клапаны открываются на максимальдую величину для получения максимальной мощности.

Последнее изобретение фирмы - система i-VTEC предполагает использование, помимо основного механизма VTEC, дополнительную систему VTC (Variable Timing Control), которая непрерывно регулирует момент начала открытия впускных клапанов. При этом мощность двигателя увеличивается на 20 %, крутящий момент - на 10 %, расход топлива снижается на 10-20 % в зависимости от режима работы двигателя.

3. Система Valvetronic фирмы UBMW”

Система данного типа позволяет реализовать изменение фаз газораспределения и высоту подъема впускных клапанов.

Схема системы управления подъемом впускного клапана представлена на рис. 3 [4].

Рис. 3. Система изменения высоты подъема впускных клапанов Valvetronic

Данная конструкция состоит из распределительного 1 и дополнительного 4 валов с эксцентриком 5, расположенных в головке цилиндров. В зависимости от положения эксцентрика 5 промежуточный рычаг 3 и впускной кулачок 2: не открывают клапаны, обеспечивают максимаьную высоту подъема клапанов и их оптимаьные фазы; обеспечивают промежуточные значения фаз и высоту подъема клапанов.

Пружина 6 поддерживает постоянную кинематическую связь между роликом 7 промежуточного рычага 3, рычагом 9, кулачком 2 и эксцентриком 5. Эксцентрик изменяет свое положение под действием шагового элекгродвигателя, который управляется отдельным компьютером под контролем ЭБУ двигателя.

Величина открытия клапана изменется от 0,20 (обеспечивая работу на холостом ход и уменьша нагрузку на клапан) до 9,7 мм, необходимых для получения максимаьной мощности. Высота подъема клапанов и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на пе-даь управления подачей топлива. Потенциометр передает сигна в блок управления. При этом нет необходимости применять дроссельную заслонку для изменения количества подаваемого воздуха.

Испытания показали, что средний расход топлива двигателя с системой Уа1уе1готс по сравнению с обычным двигателем:

- на холостом ходу - ниже на 18 %;

- в режиме частичных нагрузок - ниже на 10 %.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующий вывод: управление фазами газораспределения и законом подъема клапанов заключает в себе большой потенциа по улучшению энергетических, экономических и экологических показателей ДВС. При этом эффекты от управления впускными клапанами больше, чем от управления выпускными клапанами. Однако в литературе нет описания критериев выбора закона изменения ФГР и высоты подъема клапана, не представлены математические модели рассматриваемых систем.

Библиографический список

1. Автомобильный справочник; пер. с англ. - М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2002. - 896 с.

2. Васильев А.В. Механизмы управления газораспределением ав-

томобильных двигателей внутреннего сгорания: методические указания к курсовому и дипломному проектированию / А.В. Васильев, Д.Д.

Полынков. - Волгоград: Волгоград. гос. тех. ун-т. 2006. - 24 с.

3. Двигатели внутреннего сгорания: в 3-х кн. Кн.1 Теория рабочих процессов: учебник для вузов/ В.Н. Луканин [и др.]; под ред. В.Н. Луканина. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005. -479 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания: в 3-х кн. Кн.2 Динамика и конструирование: учебник для вузов/В.Н. Луканини [и др.]; под ред.

В.Н. Луканинаи М.Г. Шатрова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005.- 400 с.

5. Обеспечение качества транспортных двлатeлeй. Т. 1 /

М.А. Греторьев [и др]. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998. - 632 с.

6. Пат. 4,926,804 США. Механизм переключения режима работы клапана в двигателе внутреннего сгорания/ К. Фукуо (Япония); заявитель и патентообладатель Хонда Гикен Кого Кабушики Каиши. - № 356,915; за-явл. 23.05.89; опубл. 22.05.90; приоритет 23.05.88, № 63-125437 (Япония). -8 с.: ил.

7. Пат. 5,090,364 США. Двухшаговый управляющий клапанный механизм/ М. МаКэрролл, М. Спат, М. Шост, Г. Джианноне, Д. Кастеллана (США); заявитель и патенообладатель Дженера Моторе Корпорэйшен. -№ 628,694; завл. 14.12.90; опубл. 25.02.92; - 12 с.: и.

8. Пат. 5,159,905 США. Двигатель с несколькими кулачками в механизме газораспределения/ М. Сугиучи, Х. Камияма (Япония); заявитель и патенообладатель Ниссан Мотор Сомпани, лтд. - № 767,335; завл. 30.09.91; опубл. 03.11.92; приоритет 31.01.92, № 2-265995 (Япония). - 8 с.: ил.

9. Пат. 5,184,581 США. Система изменения моменов открытия и закрытия клапана/ Т. Аояма, К. Сакура, С. Ямамото (Япония); заявитель и патентообладатель Ямаха Хатсушики Кабушики Каиша. - № 587,999; за-

явл. 21.09.90; опубл. 09.02.93; приоритет 21.09.90, № 1-245671 (Япония). -12 с.: ил.

10. Пат. 5,275,138 США. Система с изменяемым временем открытия и закрытия клапана в двигателе внутреннего сгорания/ К. Хотта , К. Аоки (Япония); заявитель и патентообладатель Айсин Сеики Кабушики Каиша. - № 10,843; заявл. 29.01.93; опубл. 04.01.94; приоритет 31.01.92, № 4-016468 (Япония). - 4 с.: ил.

11. Пат. 5,301,636 США. Механизм управления клапаном в двигателе внутреннего сгорания/ М. Накамура (Япония); заявитель и патентообладатель Ниссан Мотор Сомпани, лтд. - № 92,108; заявл. 16.07.93; опубл. 12.04.94; приоритет 17.09.92, № 4-24837 (Япония). - 10 с.: ил.

12. Пат. 6,135,077 США. Механизм для изменения моментов открытия и закрытия клапанов дветателя внутреннего сгорания/ Й. Мори, К. Суджимито, Т. Хагесава (Япония); заявитель и патентообладатель Тойота Джидоша Кабушики Каиша. - № 09/186,667; завл. 04.11.98; опубл. 24.10.00; приоритет 07.11.97, № 9-305996 (Япония). - 26 с.: и.

13. Nagano M. Port-injection Engine-control for Environmental/ M. Nagano, S. Watanabe, Y. Amou// Hitachi Rewiew. - 2004. - Vol. 53. - №4. -P.200-204.

14. Nonlinear self-tuning control for soft landing of an electromechanical valve actuator/ K. Peterson [et al.] Processings of 2002 ACC.-2002.- P.

1413-1418.

15. http://afrosimov.narod.ru/remont015.htm

16. http://amastercar.ru/articles/engine_car_2.shtml

17. http://amastercar.ru/articles/engine_car_34.shtml

18. http://amastercar.ru/articles/engine_car_43.shtml

19. http://amastercar.ru/articles/engine_car_44.shtml

20. http://amastercar.ru/articles/engine_car_5.shtml

21. http://autodata.ru/item.osg?idr=2&idt=48&idn=1056&pgn=1

22. http://autodata.ru/st/06_vvti/vvti .htm

23. http://colt.galant-info.ru/mivec.htm

24. http://www.billzilla.org/vvtvtec3.htm

25. http://www. corollaperformance. com/Techlnfo/VVTLi.html

26. http://www.geocities.com/gkurka2001/CarTech/vvt_1.htm

27. http://www.hitachi.com/rev/field/electronics/2015529 12874.html

28. http:// www. honda.by/top_menu. php?id=58

29. http:// www. hondamotor. ru

30. http://www.karlsdomain.hondapowered.com/catalog.html

31. http:// www. leoshow. com/long.php?id=215

32. http://www. spyderchat.com/enginedetail.htm#topofpage

33. http://www.vtec.net/articles/view-article?article_id=7334&page_1

Получено 23.04.08