Разпределителните валове - или как да модифицираме характери

[Turbonetics Профил]

Известно е, че газоразпределителния механизъм на двигателите осигурява движението на клапаните по строго определен закон и в строго определен момент от работния цикъл с цел да се осъществят газообмените процеси в цилиндрите. Газообмените процеси са, процеса на напълване на цилиндъра с прясно работно вещество и процеса на отстраняване на отработилите газове от цилиндъра. В резултат от протичането на тези процеси от цилиндъра се отстраняват отработилите газове и на тяхно място постъпва прясно работно вещество с определен състав и количество. Поради това, че развитието на горивният процес в бензиновите двигатели може лесно да се прогнозира, то извършената ефективна работа в цилиндъра на двигателя основно зависи от количеството постъпилото прясно работно вещество в края на процеса пълнене. От това може да се съди, че въртящия момент респективно мощността при зададени обороти, зависи силно от начина на протичане на газообмена в двигателя. Газообмена зависи от много взаимосвързани фактори, по-главните от които са: закона за движение на клапаните, конфигурацията(дължина, сечения на тръбите, наличието на обеми и хидравличните съпротивления) на пълнителната и изпускателната системи, режима на работа, подгряването на работното вещество в пълнителната система и др. Разпределителните валове чрез гърбиците изработени върху тях осигуряват закона за движение на клапаните и по този начин се явяват основния елемент чрез, който може да се променя начина на протичане на газообмена, а от там и мощността на двигателите.


На горната фигура са показани законите за движение на пълнителния и изпускателния клапан. Кривите, които описват пътя(закона за движение), по който се движи клапана имат няколко важни параметъра.
Моментите на отваряне и затваряне на клапана. Всмукателния клапан обикновено се отваря малко преди буталото да е достигнало ГМТ(горна мъртва точка), за да може клапана да се отвори в известна степен тогава когато буталото започне да слиза от ГМТ към ДМТ и налягането в горивната камера започне да намалява. Затварянето на всмукателния клапан се извършва след ДМТ с цел да се използва инерцията на потока постъпващ през всмукателния клапан и въпреки движението на буталото към ГМТ цилиндъра да се дозареди с прясно работно вещество. Момента на затваряне на всмукателния клапан след ДМТ оказва най-съществено влияние върху напълването на цилиндъра. Ако ъгъла на затваряне е много малък, то това ще повиши коефициента на пълнене в зоната на ниските честоти на въртене, защото няма да има връщане на прясно вещество от цилиндъра в пълнителната система, но ще го намали в зоната на високите честоти на въртене поради невъзможността да се използва инерцията на потока. При по-голям ъгъл на затваряне на клапана след ДМТ се получава точно обратното повишаване на коефициента на пълнене при високи честоти на въртене и понижаване при ниските честоти вследствие на връщане на работно вещество от цилиндъра към пълнителния тръбопровод. Изпускателния клапан се отваря преди ДМТ на буталото с цел по-голяма част от отработилите газове да напуснат цилиндъра под действие на разлика в налягането между цилиндъра и изпускателния колектор. Момента на отваряне на изпускателния клапан се подбира от гледна точка на получаване на максимална работа в цилиндъра. Така например ако клапана се отвори много рано налягането в цилиндъра бързо ще спадне положителната работа по време на цикъла ще намалее, но това ще доведе и до намаляване на отрицателната работа за принудителното отстраняване на отработилите газове от буталото и обратно. Момента на затваряне на изпускателния клапан обикновено е малко след ГМТ. С това се цели доочистване на цилиндъра чрез използване на ежекторния ефект на изтичащия газ от цилиндъра и понижаването на налягането след изпускателния клапан.
Формата на самата крива е параметър, който оказва влияние както върху газодинамичните процеси протичащи в двигателя така също и върху динамиката на газоразпределителния механизъм, вибрациите и степента на неговото износване. От друга страна формата на закона трябва да представлява технологична крива, която да може да се изработва по съществуващи технологии. От казаното дотук се разбира, че закона, по който се отваря клапана е най-сложната част от проектирането на газоразпределителния механизъм. Поради тази причина за проектирането на профила на гърбиците по късно ще бъде отделено специално внимание.
Максимален ход на клапана е друг важен параметър на закона за движение на клапана. Чрез увеличаване на максималния ход се повишава площта под кривата, което води до намаляване на скоростите на протичане на газовете и съответно до намаляване на хидравличните загуби около клапана. По този начин се повишава степента на очистване на горивната камера от отработили газове и количеството прясно работно вещество постъпило в цилиндъра по време на процеса пълнене. Увеличаването на максималния ход на клапана има отрицателно въздействие върху динамиката и износването на елементите от газоразпределителния механизъм. Увеличения ход означава, че клапана за едно и също време трябва да се отвори на по-голямо разстояние, това води до увеличаване на скоростта и ускорението му. С увеличаване на ускорението се увеличават и инерционните сили действащи на клапана. Повишените инерционни сили от една страна представляват опасност за нарушаване на кинематичната връзка в механизма(клапана не може да следва закона за движение зададен от гърбицата), а от друга водят до повишено износване в газоразпределителния механизъм. Определянето на максималния ход на клапана е сложна задача. Ако се изходи от гледна точка на газодинамиката на процесите по-големият максимален ход на клапана ще доведе до по-голямо проходно сечение и теоретично това трябва да доведе до по-голям дебит на газовете през него. На практика обаче при протичането на реален газ в зоната на клапана са налице загуби вследствие свиването на струята, хидравличното съпротивление и топлообменна. Всички тези загуби се обединяват от един общ коефициент μ наречен коефициент на дебита. Произведението от коефициента на дебита и проходното сечение на клапана се нарича ефективно проходно сечение на клапана, което винаги е по-малко от геометричното проходно сечение. Това на практика е реалното сечение през, което газовете преминават. Произведението μ.fкл (ефективното проходно сечение) се изменя непрекъсната при отварянето на клапана. Изменението на fкл е пропорционално на отварянето на клапана, тоест при по-голямо отваряне на клапана fкл расте пропорционално, докато коефициента на дебита μ с отварянето на клапана непрекъснато намалява вследствие най-вече на свиваемостта на струята. Така ефективното проходно сечение μ.fкл при малко отваряне на клапана нараства бързо и с увеличаване на хода нарастването му намалява като има момент в който увеличаването на проходното сечение ще доведе до намаляване на ефективното проходно сечение вследствие на намаляване на коефициента на дебита. Именно хода на клапана при, който започва намаляването на ефективното проходно сечение на клапана може да бъде избран за максимален ход на клапана за даден двигател. При така избрания ход на клапана ще имаме максимално ефективно проходно сечение в зоната на клапана (μ.fкл)max. Това ефективно проходно сечение трябва да бъде сравнено с най-малкото ефективно сечение в тръбопровода μт.fт, винаги трябва (μ.fкл)max≤ μт.fт в противен случай избраният максимален ход на клапана е безсмислено голям и трябва да бъде намален до изпълняването на горното условие. След определяне на максималния ход на клапана от газодинамична гледна точка трябва да се даде оценка дали този ход няма да доведе до недопустимо увеличаване на динамичните натоварвания вследствие повишаване на ускоренията в механизма.
Времесечение на клапана е параметър, който представлява произведение от площта под кривата и времето, за което клапана е отворен. Площта под кривата зависи от продължителността през която клапана е отворен и формата на закона за движение на клапана. Времето, през което клапана е отворен зависи от честотата на въртене на двигателя при това положение с повишаване на оборотите на двигателя времесечението на клапана намалява. Намаляване на времесечението на клапана води до повишаване на скороста на протичане на газа през органите на газоразпределение, което от една страна е благоприятно за повишаване на динамичните явления в колекторите, но от друга страна води до повишаване на хидравличните съпротивления при протичане на газовете. Поради тази причина, за да се повиши пълненето съответно очистването на цилиндрите е необходимо да се повиши времесечението чрез повишаване на площта под кривата на закона за движение на клапана. Времесечението е комплексен параметър, който зависи от всички други параметри на закона за движение на клапана. Затова той е удобен параметър за оценка на даден профил и за сравняването на различните видове профили.
При проектирането на закона за движение на клапана(профила на гърбицата) на първо място е необходимо да бъдат избрани моментите на отваряне и затваряне на клапана(продължителността на отворено състояние) и максималния ход на клапана. Закона за движение на клапана трябва да представлява крива, която започва в точката на отваряне на клапана преминава през максималния ход и завършва в точката на затваряне, същевременно тя трябва да минава по такъв начин, че да осигури максимално времесечение и необходимите динамични показатели на механизма. При съвременните високочестотни бензинови двигатели и тези предназначени за състезателни автомобили осигуряването на добри динамични параметри на газоразпределителния механизъм е задължително. Един механизъм е добре конструиран от динамична гледна точка, когато върху него действат колкото се може по-малки по големина сили и вибрации. За да се осигурят тези параметри върху закона за движение на клапана се налагат редица ограничения свързани с неговите производни. За намаляване на силите в механизма се съблюдава втората производна на закона за движение, която на практика представлява ускорението на клапана. Тя трябва да бъде гладка крива като същевременно максималните стойности на ускорението трябва да бъдат колкото се може по-малки. Профилите, които осигуряват плавно изменение на ускорението на клапана се наричат безударни профили. Максималните положителни ускорения на клапана пораждат инерционни сили, които се сумират със силата от пружината на клапана и водят до якостно натоварване на елементите от механизма. Максималните отрицателни ускорения пораждат инерционна сила, която се изважда от силата на пружината и резултантната сила осигурява непрекъснатия контакт между клапана и гърбицата на разпределителния вал. Ако тази сила по някаква причина стане отрицателна то кинематичната връзка между гърбицата и клапана се нарушава, клапана вече не следва закона зададен от гърбицата, а се отваря по някакъв произволен закон. Такова движение на клапана е неблагоприятно от гледна точка на протичане на газодинамичните процеси в двигатели и опасно от гледна точка на вероятността клапана да се удари в буталото. При форсирането на двигателя по честота на въртене при високи обороти на коляновия вал осигуряването на малки инерционни сили породени от максималните отрицателни ускорения е почти невъзможно поради тази причина се налага използването на по-твърди клапанни пружини, които да могат да осигуряват по-голяма сила от инерционната. До скоро при проектирането на гърбичните профили не се следеше за характера и формата на по-висшите от втората производна. Оказва се обаче, че третата производна на пътя(jerk) оказва съществено влияние върху вибрациите настъпващи в газоразпределителния механизъм. Поради тази причина в последните години профилите на разпределителните валове се проектират така, че всички производни до четвъртата да бъдат гладки функции без скокове в тях. Проектирането на гъбични профили е една от най-строго пазените в тайна дейности при проектирането на двигателите. На практика всяка фирма си изчислява законите за движение на клапана по собствена методика и тези методики не се публикуват. В специализираната техническата литература има описани много на брой закони, които могат да се използват за пресмятане на гърбични профили. Основно законите, които могат да се използват се делят на прости, съставни, полиномни и т.н. spline функции. При простите закони кривата описваща закона за движение на клапана се описва от една единствена функция. При сложните закони кривата представлява съвкупност от няколко различни функции типична крива от този вид е профила на Курц. Този профил се състои от четири участъка, които са части от различни функции. При полиномните функции закона за движение се описва от полином от някаква степен. Чрез вариране на степента на полинома и неговите коефициенти може да се постигне закон, който се описва от една крива и отговаря на предварително зададени условия. Най-широко приложение е намерил т.н. закон polydyne, той представлява полином на който степенните показатели представляват аритметична прогресия, а коефициентите пред членовете се определят след поставяне на допълнителни ограничителни условия свързани с деформацията на елементите от механизма. Чрез увеличаване на степенните показатели на този полином се увеличава и времесечението на клапана. Всички тези закони имат няколко съществени недостатъка, което ги прави неприложими при проектирането на гърбични профили за високооборотни двигатели. Голяма част от тези профили имат неблагоприятно изменение на кривите на ускорението и особено на третата производна jerk, което е неблагоприятно за динамичните показатели на газоразпределителния механизъм. Основният недостатък на всички профили(прости, сложни и полиномни) се състои в това, че всичките те са удобни за построяване на симетрични закони за движение на клапана. В съвремените двигатели и особено в състезателните е наложително от газодинамична гледна точка да бъдат използвани асиметрични закони за движение на клапана. На фигурата е показана разликата между симетричен закон за движение на клапана и асиметричен при едни и същи ъгли на отваряне и затваряне на клапана и едно и също времесечение. Асиметричните профили (графиката с червен цвят)се отличават от симетричните по това, че момента, в който клапана е максимално отворен не е симетрично разположен спрямо моментите на отваряне и затваряне, а е изместен на определен ъгъл в посока на затварянето на клапана. Това налага закона да се видоизмени и клапана да се отваря с по-малка скорост и да се затваря с по-голяма. С използването на асиметрични закони за движение на пълнителнителните клапани се цели клапана да бъде в по-голяма степен отворен във втората фаза от неговото движение, тогава когато скороста на постъпващото в цилиндъра прясно работно вещество е голяма. По този начин цилиндъра може да се дозареди вследствие на използването на динамичните процеси в пълнителната система. Асиметричния закон налага клапана да се отваря с по-малка скорост, а това води от своя страна до създаване на по-голямо разреждане в цилиндъра. Вследствие на по-голямата разлика в налягането между пълнителната система и цилиндъра, в момента в който клапана е отворил достатачно проходно сечение газовете изтичат в посока на цилиндъра с по-голяма скорост и това в още по-голяма степен засилва инерционните процеси по време на пълненето. По-голямата скорост на затваряне на всмукателния клапан оказва също положително влияние върху процесите вследствие на създаване на по-големи амплитуди на налягането в пълнителната система когато клапана е затворен. Асиметричните закони за движение се използват и за изпускателните клапани. При тях по-бавното отваряне на клапана спомага налягането в цилиндъра да се запази по-високо, вследствие на което не се губи част от положителната работа на газовете докато бутало достигне в ДМП. Изместването на максималното отваряне на изпускателния клапан е с цел той да бъде в по-голяма степен отворен тогава когато в изпускателната система налягането стане по-ниско. Това спомага цилиндъра да се доочисти от отработили газове дори и след ГМТ в процеса на продухване. Проектирането на асиметрични профили в последните години се извършва чрез използването на spline функции. При тези функции чрез вариране на положението и стойностите във отделните възли може да се получат асиметрични закони, които да осигурят благоприятно протичане на процесите на газообмен и едновременно с това допустими динамични натоварвания в механизмите.
В заключение може да се спомене, че проектирането на законите на движението на клапана не може да се прави самоцелно, а трябва да се извършва съобразно особеностите на конкретния двигател, кинематиката на коляно-мотовилковия механизъм, конфигурацията на пълнителната и изпускателната системи и др.

[TukBaTa Профил ICQ]

На горната фигура са показани законите за движение на пълнителния и изпускателния клапан.

добре написано ... но не се виждат фигурите ... или само при мен е така ?

[Turbonetics Профил]

"Разширението docx не е разрешено"

[Postman Профил]

Поздрави към д-р инж. Пламен Пунов, авторът на този текст.
Колега Turbonetics, би било добре да цитираш поне източника, ако не автора, на този материал .

[bum_bum]

А какъв е този "закон за движение на клапаните"

[Postman Профил]

Това е стойността на хода (преместването) на клапана в зависимост от ъгъла на завъртане на коляновия (или разпределителния) вал.

[nParMaTuK Профил]

Нищо не се споменава за диаметъра на клапана - кви ше са минусите от прекалено голям диаметър, щото то винаги едното е за сметка на другото

[doko Профил ICQ]

Нищо не се споменава за диаметъра на клапана - кви ше са минусите от прекалено голям диаметър, щото то винаги едното е за сметка на другото

Че то никой и никъде не споменава колко трябва да е степента на сгъстяване за даден вал та камо ли клапана колко мм. трябва да е