Подъем клапана: Подъем клапана

Подъем клапана

Подъем
клапана — это просто величина перемещения,
передаваемого кулачком распредвала.
Данные по подъему можно перепутать, так
как коромысло умножают действительный
подъем клапана в соотношении примерно
от 1:1,5 до 1:1,7. Большинство фирм-производителей
распредвала указывают «чистые» данные
подъема клапанов, которые представляют
собой максимальные величины подъема
(перемещения), которые имеют место на
клапане. Действительный подъем кулачка,
измеряемый на распредвале, заметно
меньше чем «чистый» подъем клапана.

Оптимизация
канала по потоку при подъеме клапанов
является наиболее практичной для ваших
будущих приложений. Толкатель
форсированного двигателя со стандартным
коромыслом должен ограничивать подъем
клапана примерно до 12,7 мм (даже при этом
относительно умеренном подъеме бронзовые
направляющие втулки клапанов будут
необходимы для уменьшения износа и
обеспечения оптимального срока службы
седла клапана). Если вы позволите себе
использовать роликовые коромысла
(ракеты), то может быть возможным увеличить
практический подъем клапанов до величины
14,0 мм, т. к. роликовые коромысла приводят
к меньшим боковым нагрузкам на стержень
клапана и на направляющие втулки.
Форсированные и гоночные двигатели
могут успешно работать при подъеме
клапанов до 15 мм, хотя срок службы
направляющих втулок и клапанов будет
меньше. Двигатели для кольцевых и
внедорожных гонок используют величину
подъема клапанов в 16,5 мм. Все двигатели
автомобилей-дрегстеров используют
величину подъема клапанов от 17,8 до 21,6
мм, но механизм привода клапанов и
впускные каналы сконструированы для
отдачи мощности при очень высоких
оборотах двигателя и на очень короткий
период времени (с расчетным временем
работы несколько минут или часов, а не
сотни и тысячи километров).

Продолжительность
открывания указывает, сколько времени
клапан остается открытым и измеряется
в градусах поворота коленчатого вала
(помните, что распредвал вращается в 2
раза медленнее коленчатого вала). Высокая
продолжительность открывания увеличивает
мощность на высоких оборотах ценой
экономичности, увеличения токсичности
выхлопных газов и мощности на низких
оборотах.

Сравнение
продолжительности открывания клапанов
различных распредвалов сложно, так как
разные фирмы-производители используют
разные методы измерений. Некоторые
фирмы измеряют продолжительность
открывания от точного момента, когда
клапан отходит от своего седла. Это дает
более высокие значения, но на практике
топливовоздушная смесь не начинает
поступать в нужной мере до тех пор, пока
клапан не поднимется на определенную
величину.

На
этом поперечном сечении распредвала
показаны подъем клапана, продолжительность
открывания клапана, перекрытие клапанов
и угол между центрами кулачков:

1
— угол между центрами кулачков;

2
— перекрытие клапанов;

3
— продолжительность открывания клапана;

4
— выпускной клапан закрывается;

5
— подъем клапана;

6
— впускной клапан открывается;

7
— впускной клапан закрывается;

8
— выпускной клапан открывается.

Каждая
часть распредвала имеет свое назначение:

1
— выступ;

2
— профиль кулачка;

3
— ведущий профиль кулачка;

4
— основная окружность кулачка;

5
— направление вращения распредвала;

6
— основание или пята кулачка.

Тогда
как смещенные толкатели и специальная
геометрия коромысел могут быть необходимы
для гоночных двигателей в свободном
классе, эти серьезные (и дорогие)
модификации большей частью не имеют
смысла в обычных форсированных двигателях
для повседневного использования. Каналы
этого типа могут практически помочь
выдать ценную мощность на форсированных
двигателях, чем более «спокойная»
конструкция.

Большинство
специалистов по распредвалам договорились
измерять продолжительность подъема
между началом и концом, когда подъем
равен 1,27 мм. При этом методе измерений
получаются меньшие значения, которые
больше соответствуют характеристикам
потока. Для обычных применений
продолжительность открывания около
230° (измеряемая при подъеме клапана в
1,25 мм) работает хорошо. Убедитесь, что
вам известно, как измерялась
продолжительность открывания при
сравнении характеристик различных
распредвалов.

Перекрытие
клапанов

Перекрытие
клапанов соответствует углу поворота
коленвала (в градусах), при котором и
впускной и выпускной каналы открыты.
Подобно продолжительности открывания,
длительное перекрытие также увеличивает
мощность на высоких оборотах, но ценой
экономичности, ухудшения состава
выхлопных газов и мощности на низких
оборотах.

Два
фактора влияют на данные по перекрытию
клапанов. Первый и очевидный — это
величина продолжительности открывания
клапанов. Второй — это угол между
центральными линиями кулачков или
смещение кулачков друг относительно
друга на распредвалу.

Другие
факторы

Угол
между центрами кулачков опосредовано
изменяется с перекрытием клапанов. Это
означает, что при увеличении перекрытия
клапанов угол между центрами кулачков
уменьшается и наоборот. Увеличение угла
обычно увеличивает крутящий момент на
низких оборотах, а уменьшение угла
улучшает мощность на высоких оборотах.

Другой
областью конструкции, которая влияет
на характеристики распредвала, является
профиль кулачка. Скорость подъема
клапана, ускорение при подъеме и скорость
закрывания клапана определяются формой
кулачков и влияют на работу двигателя.
При более быстром открывании и закрывании
клапанов может быть получен больший
поток смеси при данной величине
продолжительности открывания клапана.

Распределительные
валы и детали механизма привода клапанов
должны подбираться друг к другу для
правильной совместной работы. Вдобавок
к этому нужно тщательно подбирать
распредвал/детали клапанного механизма
к другим деталям, используемым в двигателе
и в автомобиле, особенно деталям впускной
и выпускной системы, а также трансмиссии.

Распредвал
является механическим «мозгом» двигателя.
Он определяет, когда и как быстро клапаны
будут открываться и закрываться, а также
как долго они остаются открытыми под
действием толкателей клапанов и
эллиптических кулачков распредвала
при его вращении.

Распредвал,
более чем любая другая деталь определяет
рабочие характеристики (или индивидуальность)
двигателя. Простая конструкция коленвала
не может обеспечивать максимальную
мощность двигателя от холостого хода
до предельных оборотов. Как и все другие
детали автомобиля, конструкция распредвала
является компромиссом. Если распредвал
не предназначен для эффективного
крутящего момента на низких оборотах,
приемистости и экономичности, то, в
противовес этому, он должен дать высокую
мощность на высоких оборотах. И наоборот,
распредвалы предназначенные для работы
на низких оборотах, плохо работают на
высоких оборотах.

Напомним
еще раз: перед обработкой впускных
каналов машинкой примите практическое
решение относительно подъема клапанов,
а затем конструируйте каналы, чтобы
обеспечить как можно больший поток
смеси при данном подъеме. Точное решение
того, как добиться этой цели, часто
требует дополнительных затрат времени
для проведения стендовых испытаний или
постоянных консультаций со специалистами
по приготовлению и доводке головок
блока цилиндров.

В
практических пределах, как указано
выше, подберите распределительный вал,
который открывает клапаны на величину
достаточную для того, чтобы впускной
канал пропускал поток как можно лучше.

Например,
если канал хорошо пропускает поток при
подъеме клапана 14,0 мм, но поток спадает
при более высоких значениях подъема,
не устанавливайте распределительный
вал, который открывает клапаны более
чем на 16,5 мм. Клапаны затрачивают очень
малое время, находясь около точки,
соответствующей оптимальному потоку,
а направляющие втулки и пружины клапанов
и коромысла будут изнашиваться быстрее.

У
большинства фирм-производителей
распредвалов имеются технические
отделы, которые помогают конструкторам
определить наилучший распредвал и
другие детали для каждого конкретного
применения. Если у вас тяжелый автомобиль
с относительно небольшим двигателем,
то нужно быть осторожным при подборе
распредвала и других деталей. Следуйте
рекомендациям производителей распредвалов;
они имеют большой опыт исследований и
испытаний.

Изменение
фаз газораспределения на распредвале
может привести к взаимным помехам в
работе клапанов и поршней, при установке
распредвала с измененными характеристиками
нужно проверять следующее.

Влияние конструкции распредвала на работу двигателя

Существует три важных характеристики конструкции распредвала: величина подъема клапанов, продолжительность открывания клапана и фазы газораспределителя распредвала. О них поговорим в данной статье и рассмотрим влияние конструкции распредвала на работу двигателя.

Подъем клапана измеряется в миллиметрах и представляет максимальное расстояние, на которое клапан отходит от седла. Продолжительность открывания клапанов — это отрезок времени, измеряемый в градусах поворота коленчатого вала. Продолжительность измеряется после того, как клапан поднялся от седла на малую величину, часто составляющую 0,5 или 1,2 мм.

Каждый из критериев конструкции распредвала связан с другими и модификация одного повлияет, как другие улучшат или ухудшат работу двигателя. Но, вообще говоря, увеличение подъема клапана и продолжительности его открывания или оптимизация фаз газораспределения увеличивают мощность.

После небольшого увеличения подъема клапана и продолжительности его открывания, кривая мощности смещается выше в область оборотов. Когда продолжительность открывания и, в меньшей степени подъем увеличиваются еще больше, двигатель даже неспособен работать на низких оборотах.

‘Гоночные’ распредвалы с большой продолжительностью открывания имеют низко-оборотный предел ‘холостого хода’ (2000 об/мин). Распредвалы с большой продолжительностью открывания можно сделать ‘цивилизованными’ путем изменения моментов открывания и закрывания клапанов, но компромиссом будет максимальная мощность.

Из трех главных критериев распредвала, продолжительность открывания хорошо известна среди конструкторов форсированных двигателей. Такое понимание происходит из-за непосредственной манеры влияния продолжительности открывания на мощность двигателя. Можно сказать, что чем дольше удерживаются открытыми клапаны, тем большая максимальная мощность двигателя будет получена. Если продолжительность открывания клапана увеличивается более определенной величины, дополнительная максимальная мощность будет получена ценой качества работы двигателя на низких оборотах.

Для гоночных применений максимальная мощность является практически единственной целью, но для ‘обычных’ автомобилей с форсированными двигателями очень важными являются приемистость и крутящий момент на низких оборотах.

Увеличение подъема клапана полезна в увеличение мощности, т. к. может добавить мощность без существенного влияния на характеристики двигателя на низких оборотах. В теории конструкция распредвала с короткой продолжительностью открывания клапанов для увеличения максимальной мощности. Теоретически это будет работать. Однако, механизмы привода клапанов не такие простые. В этом случае высокие скорости движения клапанов, обуславливаемые этими профилями, существенно уменьшают надежность двигателя.

Когда продолжительность открывания клапана уменьшается, то на перемещение клапана из закрытого положения до полного подъема и возвращения обратно остается меньше времени. Когда продолжительность становиться еще короче, потребуются клапанные пружины с увеличенным усилием и часто становится механически невозможным приводить в движение клапаны даже при относительно низких оборотах.

Что влияет на максимальный подъем клапана?

Распредвалы с величиной подъема, большей 12,7 мм, находятся в той области, которая непрактична для обычных двигателей. Распредвалы с продолжительностью такта впуска менее 280^о, сочетающейся с величиной подъема клапана более 12,7 мм, обеспечивают высокие скорости открывания и закрывания клапанов. Это создает нагрузки на механизм привода клапанов, что уменьшает надежность кулачков распредвала, клапанных пружин, стержней клапанов, направляющих втулок клапанов.

Хотя вал с высокими скоростями подъема клапанов может хорошо работать сначала, срок службы его и направляющих втулок клапанов может не превышать 20 000 км. К счастью, большинство фирм-производителей распредвалов конструируют валы так, что обеспечивается хороший компромисс между значениями подъема и продолжительности открывания клапанов, при долгом сроке службы и надежности.

Что такое подъем клапана и почему это важно?

от Грега

Подъем клапана — это расстояние, на которое перемещаются впускной и выпускной клапаны двигателя. Это расстояние контролируется распределительными валами и имеет решающее значение для работы двигателя. Подъем клапана иногда называют полным подъемом, но эти термины взаимозаменяемы.

Кулачок представляет собой лопастной стержень, который открывает и закрывает клапаны при вращении. Подъем кулачка определяется как расстояние, на которое выступ кулачка поднимается за пределы базовой окружности.

Содержание

• Как рассчитать подъем клапана
• Почему важен подъем клапана?
• Открытие впускного клапана
• Открытие выпускного клапана
• Продолжительность распредвала и подъем клапана

Как рассчитать подъем клапана

Подъем клапана рассчитать довольно легко. Все, что вам нужно знать, это ваш подъем кулачка, предоставленный производителем распределительного вала, и коэффициент вашего коромысла. Соотношение коромысла также легко измерить.

Передаточное число коромысла представляет собой расстояние от центра точки поворота коромысла до центра штока клапана (обозначим этот размер «y»), деленное на расстояние от центра точки поворота до центра размер толкателя «х». Таким образом, передаточное отношение коромысла равно y/x.

Коромысло с отмеченными сторонами X и Y

Формула для расчета подъема клапана проста.

Подъем клапана = Подъем кулачка X Соотношение коромысла

Подъем кулачка = Подъем клапана / Отношение коромысла средство передвижения. Если у вас есть это простая формула.

Почему важен подъем клапана?

Подъем клапана регулируется выступами распределительного вала. Профиль кулачка будет определять подъем и время, в течение которого клапан остается открытым. Увеличение пикового подъема клапана за счет замены распределительного вала позволяет большему количеству воздуха и топлива поступать в двигатель.

Если двигатель имеет низкий пик подъема клапана, это ограничит способность воздушно-топливной смеси поступать в камеру сгорания и выходить из нее. Для достижения максимальной мощности двигателя желательна высокая пиковая величина подъема клапана. Увеличение подъема клапана будет увеличивать максимальную выходную мощность двигателя до тех пор, пока зазор клапана не перестанет быть узким местом. В конце концов, узким местом в потоке воздуха станут другие компоненты, такие как отверстие головки блока цилиндров или система коллектора.

Однако увеличение подъема клапана имеет побочные эффекты. Хотя пиковая мощность двигателя может увеличиться, производительность на низких оборотах пострадает, и двигатель может ощущаться гораздо менее крутящим. Вот почему выбор высоты подъема клапана для двигателя всегда представляет собой нечто среднее между управляемостью и максимальной мощностью.

Чтобы избежать компромиссов, многие производители разработали систему изменения фаз газораспределения. Это технология, которая изменяет профиль кулачка, обеспечивая низкий пиковый подъем клапана при низких оборотах, но агрессивный высокопроизводительный подъем клапана при высоких оборотах для максимальной производительности. Чтобы узнать больше о том, как это работает, ознакомьтесь с нашей статьей об изменении фаз газораспределения здесь.

Отверстие впускного клапана

Профиль распределительного вала является одним из наиболее важных компонентов двигателя внутреннего сгорания. Профиль управляет подъемом клапана, временем открытия, временем закрытия и продолжительностью, в течение которой клапан открыт.

Крайне важно, чтобы клапан открывался вовремя. Во время обычной работы впускной и выпускной клапаны будут иметь короткий период, когда они будут открыты одновременно. Однако, если впускной клапан открывается слишком рано, он может засосать выхлопные газы обратно в камеру сгорания. Это снижает мощность следующей воздушно-топливной смеси в камере сгорания, что снижает производительность.

Впускной клапан с поздним открытием отлично подходит для высоких оборотов холостого хода, но не подходит для работы на высоких оборотах. При более высоких оборотах двигателям требуется больше воздуха и топлива для создания мощности. Чтобы получить больше воздуха в цилиндр, клапан должен быть открыт дольше или высота подъема должна быть выше. При выборе распределительного вала очень важно определить диапазон оборотов, в котором будет работать двигатель.

Момент закрытия впускного клапана также влияет на работу двигателя. Раннее закрытие впускного клапана отлично подходит для высокого давления кривошипа. Это приведет к низкому крутящему моменту и широкому диапазону мощности.

При более высоких оборотах предпочтительно более позднее закрытие впускного клапана. Это позволит как можно большему количеству воздуха попасть в камеру сгорания. Для максимальной производительности вам нужно, чтобы впускной клапан закрывался сразу после того, как свежий воздух перестает поступать в камеру.

Открытие выпускного клапана

Точно так же, как и впускной клапан, время открытия выпускного клапана, время закрытия, подъем клапана и продолжительность регулируются распределительным валом. Выпускной клапан оказывает наименьшее влияние на работу двигателя, но все же имеет большое значение. Важна синхронизация клапана. Открытие выпускного клапана слишком рано, и двигатель потеряет крутящий момент из-за того, что давление в цилиндре выходит из открытого выпускного клапана, а не толкает поршень вниз.

Позднее открытие выпускного клапана помогает двигателю работать на низких оборотах и ​​позволяет двигателю создавать крутящий момент за счет более длительного давления на поршень. На высоких оборотах более раннее открытие выпускного клапана может улучшить продувку камеры сгорания 9.0004

Продолжительность распредвала и подъема клапана

Продолжительность работы распредвала оказывает огромное влияние на приемистость и управляемость двигателя. Более длительная продолжительность улучшит верхнюю часть производительности двигателя за счет нижней части.

Однако продолжительность камеры не говорит вам всей истории. Подъем клапана является ключевой частью информации. Короткий распределительный вал с большим подъемом клапана обеспечит большую мощность, крутящий момент и отзывчивость.

При выборе распределительного вала с большим подъемом клапана необходимо учитывать некоторые факторы. Для более высокого подъема потребуются более сильные пружины клапанов. Еще одно соображение заключается в том, что головки должны иметь достаточный зазор для работы. Наконец, выпускные клапаны должны иметь возможность пропускать достаточное количество выхлопных газов, чтобы приспособиться к увеличенной подъемной силе, иначе это может повредить производительности двигателя.

Помимо этих соображений, распределительный вал с большим подъемом может обеспечить превосходную производительность и изменить рабочие характеристики двигателя. Суть в том, что подъем клапана является важным показателем, который следует учитывать при сравнении распределительных валов.

Сравнение регулируемого подъема клапана и регулируемой фазы газораспределения

Регулируемая высота подъема клапана (VVL) и регулируемая фаза газораспределения (VVT) — две наиболее распространенные функции динамического привода клапанов, которые можно найти в современных пригородных автомобилях и даже во многих современных автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками. Система VVT берет свое начало в контроле выбросов с некоторыми преимуществами в производительности, а система VVL была в первую очередь разработана для достижения максимальной производительности, но знаете ли вы, как работает каждая система, что отличает их друг от друга и как они могут принести дополнительную пользу двигателю в сочетании?

Джейсон Фенске, инженер-механик и ведущий YouTube-канала «Объяснение инженерного дела», и Чарльз Санвилл, сертифицированный технический специалист Volkswagen и ведущий канала Humble Mechanic, объединились, чтобы представить факты как о переменном подъеме клапана, так и об изменении фаз газораспределения и их различия. Хотя производители разработали множество различных вариантов VVL и VVT, конечная цель осталась прежней: 2,0-литровый четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом, использованный в видео выше, оснащен системой Audi Valvelift System (AVS).

Переменный подъем клапана (VVL)

Проще говоря, AVS управляет регулируемым подъемом клапана, чередуя как минимум два разных профиля кулачка для повышения производительности. Корпус самого распределительного вала имеет шлицы, а лепестки для каждого набора клапанов находятся на электромагнитной втулке, которая скользит горизонтально с помощью набора соленоидов, обычно активируемых оборотами.

По умолчанию двигатель всегда использует нижний подъемный выступ в качестве базового профиля кулачка для работы на низкой скорости. Когда срабатывает соленоид большой подъемной силы, штифт выдвигается в канал на втулке, который смещается к выступу большой подъемной силы. Хотя способность регулируемого подъема клапана изменять физический пиковый подъем клапана очевидна, продолжительность также может быть увеличена, а время событий клапана также может быть увеличено или отложено в зависимости от конструкции лепестка и конкретных требований приложения. Единственным недостатком является то, что точка активации является единственной настройкой, которую можно изменить, эти профили являются статическими и не могут быть изменены без замены распределительного вала.

Рисунок, показывающий принцип работы AVS (слева) и разрез распределительного вала и системы AVS (справа).

Турбокомпрессор — это всего лишь способ компенсировать недостаток рабочего объема путем механической подачи в двигатель большего количества воздуха за цикл, чем он может поглотить естественным образом. В 2,0-литровом двигателе Audi с турбонаддувом, о котором говорится в видео, только на стороне выпуска используется переменный подъем клапана, но он также может иметь преимущества на стороне впуска для других применений.

По мере того, как двигатель Audi увеличивает скорость и турбонагнетатель начинает вращаться, втулка кулачка смещается к более высокому подъемному выступу, чтобы уменьшить противодавление и помочь питать корпус турбины за счет увеличения времени открытия выпускных клапанов, удерживая их открытыми дольше и создавая большую площадь для выхода этого дополнительного сжатого воздуха через клапаны и создания большей мощности.

Подъем клапана с распределительным валом в положении низкого подъема (слева) и дополнительный подъем, создаваемый профилем высокого подъема (справа).

Система изменения фаз газораспределения (VVT)

Когда система изменения фаз газораспределения встроена в систему газораспределения, обычно в звездочку встраивается фазовращатель распределительного вала, чтобы обеспечить механическое опережение или замедление фаз газораспределения, обычно на основе по давлению масла. В отличие от переменного подъема клапана, VVT не меняет физического подъема или продолжительности события и влияет только на время событий клапана.

Системы изменения фаз газораспределения можно найти как на впускном, так и на выпускном распределительных валах, и они имеют либо статические цели, основанные на частоте вращения двигателя, либо бесступенчатую регулировку фаз газораспределения (CVVT), которая позволяет управлять синхронизацией с помощью электроники в пределах механически ограниченного диапазона опережения и замедления.