Распределительный вал

Распределительный вал

Замена распределительного вала является простым и недорогим способом модификации современного двигателя. При подборе подходящего распредвала можно увеличить мощность двигателя на 10%, при этом расход топлива не слишком возрастет. Однако если выбор сделан неправильно, расход топлива может резко возрасти.

Вопреки общественному мнению распределительный вал является несложным устройством, предназначенным для открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов в соответствии с движением поршня в цилиндре. Рабочая часть кулачка открывает впускной клапан непосредственно перед тем, как поршень достигнет верхней мертвой точки во время такта впуска и не дает ему закрыться, пока поршень не достигнет нижней мертвой точки, позволяя топливовоздушной смеси под действие силы инерции более плотно наполнить цилиндр, пока поршень движется вверх во время такта сжатия. Соответствующий кулачок открывает выпускной клапан во время такта сгорания. Наиболее эффективное распространение энергии горения заканчивается в середине такта, поэтому выпускной клапан открывается до достижения поршнем нижней мертвой точки, снижая давление в цилиндре перед тем, как поршень начнет подниматься на такте выпуска, в противном случае, мощность будет потрачена на удаление отработавших газов из цилиндра. Клапан будет закрыт практически сразу после того, как поршень достигнет верхней мертвой точки, чтобы использовать импульсную энергию отработавших газов для эффективной продувки цилиндров. Впускной клапан начнет снова открываться в это время (период перекрытия), для создания небольшого разрежения вследствие движения отработавших газов из цилиндра, чтобы способствовать попаданию топливовоздушной смеси во впускной канал и цилиндр.

В теории все кажется превосходным, но на практике это срабатывает не всегда, кроме узкого диапазона частоты вращения двигателя 2000-3000 об/мин при низких оборотах вращения двигателя попадающая в цилиндр топливовоздушная смесь обладает слабой мощностью и, следовательно, незначительным импульсом, поэтому по мере движения поршня во время такта сжатия топливовоздушная смесь будет выталкиваться через впускной клапан во впускной канал. Таким образом, меньшее количество топливовоздушной смеси будет доступно для горения, следовательно, двигатель с объемом 3 л будет работать как агрегат с объемом 2 л.

Замена стандартного заводского распределительного вала является наиболее выгодным решением проблемы. Однако выбор слишком мощного распредвала может понизить технические характеристики вождения на малых оборотах двигателя и привести к увеличению расхода топлива.

Подобная ситуация происходит при задержке закрытия выпускного клапана. Так как отработавшие газы обладают незначительной инерцией на низкой частоте оборотов, движение поршня вниз во время такта впуска может привести к тому, что отработавшие газы вернутся обратно в цилиндр. Эти горячие отработавшие газы будут занимать значительный объем цилиндра, который мог бы быть занят топливовоздушной смесью. К тому же отработавшие газы будут замедлять процесс горения и будут мешать сгоранию оставшейся топливовоздушной смеси. Подробнее к этому вопросу мы вернемся позже, и все-таки стоит заметить, что некоторые производители используют задержку открытия впускного и закрытия выпускного клапанов, замедляя скорость движения распредвала или большой угол развала кулачков, чтобы снизить давление в цилиндре и увеличить скорость горения. Таким образом, снижается количество выбросов оксидов азота (NOx). С точки зрения нормы выбросов отработавших газов это хорошо, но с другой стороны, это может привести к ухудшению технических характеристик и увеличению расхода топлива.

На малых оборотах двигателя задержка закрытия выпускного клапана приводит к попаданию отработавших газов обратно в цилиндр.

Еще один недостаток теории инерционного потока газов становится очевидным во время периода перекрытия. На определенной высокой частоте оборотов двигателя в зависимости от конструкции системы выпуска отработавших газов и камеры сгорания поток топливовоздушной смеси будет двигаться по впускному каналу через камеру сгорания, затем через открытый выпускной канал под воздействием инерции, созданной быстрым движением отработавших газов прошлого цикла из цилиндра. Чем больше перекрытие клапанов и чем эффективнее система выпуска отработавших газов, тем больше вероятность, что это может произойти. В результате, токсичность выхлопных газов и расход топлива увеличится, а мощность упадет.

Пока очевидным является тот факт, что выбор подходящего распредвала является более решительным действием, чем чтение статей в журналах для автолюбителей и подбора подходящего профиля распределительного вала, что кажется очень действенным. Чтобы вы могли разобраться во всем, необходимо начать с азов. В таком случае, вы сможете лучше понять, в чем состоит уловка.

На рисунке изображена рабочая часть кулачка распределительного вала. Окружность основания должна иметь постоянный радиус от центра кулачка. Это позволяет клапанам заходить в седло и остывать, что дает клапанам некоторое время, чтобы «отдохнуть» между циклами открытия/закрытия. Фаза впуска кулачка начинает медленно поднимать клапан. Затем подъем кулачка ускоряет открытие клапана, и вершина кулачка замедляет движение клапанного механизма до полной остановки. Затем следующий подъем кулачка быстро опускает клапан вниз в седло, после чего фаза впуска медленно опускает клапан в седло.

На средних и высоких оборотах двигателя топливовоздушная смесь может проходить через открытый выпускной канал вследствие инерционного движения отработавших газов и длительного периода перекрытия клапанов.

Спортивный распредвал оснащен кулачками с более короткими фазами открытиями и крутыми подъемами, чтобы открывать клапан быстрее и увеличить время открытия клапана.

Все это очень просто. Проблемы начинают появляться, если вы хотите приобрести распредвал и хотите сравнить фазы газораспределения распределительных валов различных производителей. Например, в США почти все рассчитывают фазу распредвала, начиная с 1 мм поднятия кулачка, однако производители автомобилей рассчитывают фазу распредвала с момента начала движения кулачка. В настоящее время не существует стандартной системы расчета. Некоторые рассчитывают фазы, начиная с подъема кулачка, другие – с 0,1 мм, 0,2 мм, 0,4 мм и 0,5 мм. Ситуация осложняется еще и тем, что большое количество станков для шлифовки кулачков устанавливают фазы газораспределения начиная с 0,2 мм подъема кулачка для распредвалов с гидравлической регулировкой и в точке «резкого открытия» клапана для распредвалов с механической регулировкой. Многие считают, что сравнение фаз газораспределения вала похоже на сравнение двух зданий по длине их теней, не учитывая расположение солнца. Вот пример трудностей, с которыми сталкивается автолюбитель, пытаясь разобраться в фазах газораспределения распределительного вала с кулачками с закругленным профилем автомобиля Chevrolet 929, классифицированный как кулачек с профилем I. Согласно заводским спецификациям, впускной клапан должен открываться на 26° до достижения верхней мертвой точки и закрывается на 90° после достижения нижней мертвой точки, в то время как выпускной клапан открывается на 84° перед достижением нижней мертвой точки и закрывается на 46° после достижения верхней мертвой точки. Длительность открытия 296° для впускного и 310° для выпускного клапана, полученные при расчете фазы газораспределения начиная с точки «резкого открытия» клапана, могут заставить вас представить себе распредвал для экстремальных гонок. Длительность открытия 254° для впускного и 262° для выпускного клапана, полученные при расчете фазы газораспределения, начиная с подъема кулачка на 0,15 мм, заставит вас думать, что это спортивный кулачек. Однако при вычислении фазы газораспределения после подъема кулачка на 1,2 мм вы сможете определить действительный тип кулачка: длительность открытия 195° для впускного и 202° для выпускного клапана, говорит о том, что это кулачок с закругленным профилем. Надеюсь очень скоро, все производители кулачков придут к единой системе определения фаз газораспределения, что значительно облегчит понимание предмета.

В таблице 4.1 я представил большое количество кулачков, а также значение фазы открытия клапанов измерялось при подъеме кулачка на 0,15 мм.

Таблица 4.1. Фаза открытия клапанов после подъема кулачка на 0,15 мм.

Кулачки профиля I имеют закругленный профиль и отличную пропускную способность на низких оборотах. Длительность выпуска должна превышать впуск более чем на 6°. Подъем клапана должен составлять около 10 мм для впускного и 10,4 для выпускного клапана. Кулачки такого типа устанавливаются на двигатели автомобилей Chevrolet 350, Chevrolet 350 Corvette и турбированные двигатели Porsche 911.

Кулачки профиля II также имеют закругленный профиль и отличную пропускную способность на низких оборотах, однако при частоте вращения двигателя менее 1200 об/мин крутящий момент может уменьшиться. Длительность выпуска должна превышать впуск не более чем на 4°. Подъем клапана должен составлять более 10,5. обычно, при установке подобных кулачков расход топлива снижается, при условии, что стиль вождения не изменится при увеличении потенциальной мощности.

Кулачки профиля III, на мой взгляд, представляют собой лучшее соотношение в плане технических характеристик и экономичности. Крутящий момент может слегка уменьшиться при частоте вращения двигателя 1500- 1700 об/мин, однако, это не будет влиять на работу усилителя тормозов, гидроусилителя рулевого управления системы кондиционирования воздуха и гидротрансформатора в автомобилях, оснащенных автоматической коробкой передач. Работа двигателя на холостых оборотах будет довольно плавной, но могут быть различимы звуки работы распредвала, если установлены мощные прямоточные глушители на некоторых моделях 6 и 8 цилиндровых двигателей с гидротолкателями. Длительность выпуска не должна превышать длительность впуска более чем на 4°- 6°, в противном случае, расход топлива может увеличиться. Подъем клапана не должен превышать 10,7 мм, однако, если используются коромысла с роликами или если ваш автомобиль оснащен двигателем с верхним расположением распредвала (который не оснащен коромыслами), например, автомобиль VW Golf, подъем клапана может составлять до 11 мм на впускном клапане. Я не считаю, что слишком большой подъем клапанов уместен в автомобилях, использующихся в стандартных дорожных условиях, так как при этом направляющая клапана будет изнашиваться значительно быстрее. В зависимости от стиля вождения, в таком случае расход топлива не должен увеличиваться. Именно кулачки такого типа я бы порекомендовал устанавливать на турбированные двигатели, так как более низкая степень сжатия, которая необходима при использовании турбонаддува и большая длительность могут значительно снизить мощность на низких оборотах двигателя.

Кулачки профиля IV не способствуют снижению расхода топлива в двигателях, объемом более 3,5 л и не должны использоваться в автомобилях с повышающей передачей. В двигателях объемом менее 2 л расход топлива не увеличивается, а в автомобилях, оснащенных двигателями объемом до 3,3 л, расход топлива будет увеличиваться только при движении с частыми остановками. Маневренность автомобиля может ухудшаться при частоте вращения двигателя менее 2000 об/мин, однако при этом мощность не будет снижена. При работе на холостых оборотах могут быть слышны звуки работы распредвала в шестицилиндровых двигателях, оснащенных гидротолкателями. Подъем клапана будет составлять до 11,7 мм, если установлены коромысла с роликами. Длительность выпуска должна превышать впуск не более чем на 10°, а подъем – не более чем на 1,3 мм, чтобы поддерживать нормальный уровень расхода топлива и широкий диапазон мощности.

К кулачкам профиля V я отношу кулачки, имеющие узкую область применения и использующиеся в двигателях объемом не более 1,8 л. Учтите, что значения подъема клапана, указанные выше, приведены для двигателей с двумя клапанами. В двигателях с четырьмя клапанами подъем будет меньше примерно на 1- 1,5 мм.

Некоторые люди не сомневаются, что нужно использовать кулачки с большей длительностью подъема выпускного клапана. В действительности, большинство высококачественных кулачков имеют приблизительно одинаковые значения подъема и длительность впускного и выпускного клапана, или длительность выпускного клапана немного больше. В любом случае, я выяснил, что в легковых автомобилях, оснащенных непрямоточными выхлопными системами, технические характеристики увеличиваются незначительно при использовании кулачков, обеспечивающих большую длительность и подъем кулачков. И наоборот, очень часто мощность уменьшается, а расход топлива увеличивается на малых оборотах вследствие обратного всасывания отработавших газов и разбавления топливовоздушной смеси, затем на более высоких оборотах расход топлива может также увеличиться вследствие попадания топлива через выпускной клапан по время периода перекрытия клапанов. Кулачки для впускных и выпускных клапанов с профилем III, IV и V могут не иметься в свободной продаже, однако, большинство производителей, могут изготовить их под заказ.

В таблице 2.4 показано влияние фаз газораспределения на мощность и крутящий момент. Тестируемым образцом был двигатель автомобиля Chevrolet V6 объемом 229 куб. (3,75 л), оснащенных 4 камерным карбюратором и литым выпускным коллектором, заводской головкой блока цилиндров, обработанной для увеличения степени сжатия до 8,8:1 и стандартной подрезкой клапанов для увеличения интенсивности потока воздуха, при этом отношение плеч коромысла составляет примерно 1,52:1.

Таблица 4.2. Влияние фаз газораспределения на мощность и крутящий момент.

Тестирование № 1 – используется заводской кулачок с подъемом впускного клапана 9,3 мм и выпускного клапана 10 мм, фаза открытия 176° для впускного и 194º для выпускного клапана.

Тестирование № 2 – используется распредвал лодочного двигателя с подъемом впускного и выпускного клапана 10,5 мм, фаза открытия 202° для впускного и 210° для выпускного клапана.

Тестирование № 3 – кулачок профиля IV с подъемом впускного и выпускного клапана 11,7 мм, фаза 218° для впускного и выпускного клапана, угол развала кулачка 110°.

Тестирование № 4 – используется кулачок с профилем III с подъемом впускного и выпускного клапана 10,7 мм, длительность 212° для впускного и 206° для выпускного клапана, угол развала кулачка 108°.

Заводские кулачки обладали закругленным профилем, в действительности закругление было даже больше, чем в стандартных кулачках. Следовательно, простая замена кулачка позволила увеличить мощность в данном случае. Кулачок, использовавшийся во время второго тестирования, привел к некоторому уменьшению крутящего момента на малых оборотах, а при частоте вращения двигателя 2500 – 3500 об/мин мощность и крутящий момент заметно возросли. При тестировании № 3 использовался другой тип кулачка, имеющегося в свободной продаже с целью проверки эффективности работы системы карбюратор/коллектор/головка установленной производителем. Результаты тестирования показали, распредвал не обеспечивал достаточную мощность, пока частота вращения не достигла 4000 об/мин, (частота на порядок выше стандартной скорости вращения двигателя в большинстве автомобилей, оснащенных 6 цилиндровыми двигателями). При использовании коллектора усовершенствованной конструкции, трубчатого выпускного коллектора с экстрактором и спаренными трубами диаметром 57 мм, данный распредвал способствовал увеличению мощности до 195 л.с.. Во время тестирования № 4 использовался специальный кулачок с низким подъемом клапанов и меньшей фазой открытия выпускного клапана. По сравнению с тестированием № 2, в котором использовался распредвал лодочного двигателя, крутящий момент слегка снизился, однако мощность возросла при частоте оборотов двигателя 3000 об/мин.

Следующий аспект относительно распредвала, с которым необходимо определиться, это угол развала кулачка. Данный угол определяет действительное положение или фазу кулачка на распредвале и, в свою очередь, устанавливает моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, выраженные в градусах поворота распредвала. Например, кулачок должен открывать впускной клапан на максимальную высоту на 110° после достижения верхней мертвой точки, и открывать выпускной клапан на 100° после достижения верхней мертвой точки, значит, угол развала кулачка будет составлять 110° (110° + 110°/2 = 110°).

Преимущественно, высококачественные кулачки для автомобилей, использующихся в стандартных дорожных условиях, имеют угол развала кулачка от 108° до 112°. В большинстве случаев маленький угол увеличивает мощность при средней частоте оборотов двигателя, в то время как более широкий угол обеспечивает пиковую мощность за счет низкой частоты вращения двигателя. Обнаружить это поможет сравнительный анализ двух кулачков с одинаковым контуром, с длительностью 270°, при этом углы развала будут отличаться, оставляя соответственно 108° и 112°. Кулачок с углом развала 108° будет иметь фазы газораспределения 27/63, 63/27. Это значит, что впускной клапан теоретически начнет подниматься из седла на 27° до достижения верхней мертвой точки и вернется в седло на 63° после нижней мертвой точки, в то время как выпускной клапан начнет открываться на 63° перед достижением нижней мертвой точки и закроется на 27° после верхней мертвой точки. Кулачок с длительностью открытия 280° и углом развала 112° будет иметь фазы газораспределения 23/67 и 67/23.

Угол развала кулачка устанавливает отношение фаз поднятия впускного и выпускного клапана.

Разница в значениях, например, 27/63, 63/27 и 23/67, 23/67 может казаться и не такой уж значимой, однако, благодаря чему тогда два кулачка так значительно изменяют технические характеристики расхода топлива? Наиболее явное различие – это период перекрытия клапанов в 54° для кулачка с углом развала 108° и 46° для кулачка с углом развала 112°. При использовании кулачков с закругленным профилем, увеличение периода перекрытия окажет незначительное влияние, возможно лишь улучшение наполняемости цилиндра и увеличение мощности на средней частоте оборотов двигателя. При использовании распредвалов с профилем IV, расположенных вверху, двигатель может работать неровно на холостых оборотах вследствие более длительного периода перекрытия или нестабильной работы двигателя на более высоких оборотах. В таком случае, расход топлива может значительно увеличиться, вследствие обратного всасывания топливовоздушной смеси.

Фаза газораспределения открытия выпускного клапана имеет незначительное влияние и может быть изменена до 8°, при этом мощность и крутящий момент могут остаться неизменными. Если выпуск двигателя не эффективен, можно установить более раннее открытие и сократить время «продувки», таким образом, уменьшая потери при буквальном выкачивании выхлопных газов из цилиндра во время движения поршня вверх.

Фаза газораспределения открытия впускного клапана более важна, только при использовании более высококачественных профилей с более длительной фазой открытия клапана. Если впускной клапан будет открыт слишком рано, при движении поршня вверх на такте выпуска, отработавшие газы могут попасть во впускной канал, что приведет к разбавлению топливовоздушной смеси. Данная проблема будет проявляться особенно ярко, если вся система выпуска отработавших газов, включая выпускной канал и клапан, работает неэффективно, в таком случае, отработавшие газы могут находиться под высоким давлением, даже в самом конце такта выпуска.

Данная диаграмма показывает изменение угла развала кулачка влияет на фазы открытия распределительного вала 270°.

С точки зрения эффективности и экономичности фаза закрытия впускного клапана наиболее важна. Необходимо держать впускной клапан открытым как можно дольше, чтобы увеличить длительность такта впуска, однако мы не хотим, чтобы впускной клапан закрывался слишком поздно, потому что в таком случае при движении поршня вверх во время такта сжатия часть топливовоздушной смеси выталкивалась из цилиндра обратно во впускной канал. Данный обратный поток может привести к еще более серьезным проблемам, блокируя и замедляя движение потока на впуске во время следующего такта впуска. В некоторых случаях, обратный поток может достигнуть диффузоров карбюратора. Что приведет к неполадкам в работе регулятора подачи топлива. Уменьшение угла развала кулачка приведет к более раннему закрытию впускного клапана, таким образом, уменьшая обратный поток на низких оборотах и увеличивая мощность и крутящий момент. Увеличение угла развала обычно увеличивает максимальный крутящий момент и мощность, так как такт впуска будет увеличен на несколько градусов (в данном случае на 4°).

В двигателях автомобилей, использующихся в стандартных дорожных условиях, в которых установлена более низкая степень сжатия, по сравнению с двигателями гоночных автомобилей я бы порекомендовал уменьшить угол развала кулачка, чтобы увеличить мощность на средней частоте вращения двигателя и уменьшить расход топлива. Однако необходимо знать меру, так как менее эффективные системы выпуска отработавших газов легковых автомобилей требуют более широкого угла развала кулачка. Четкого правила не существует, должен быть рассмотрен каждый отдельный случай, однако я могу предложить вам следующие примеры, показывающие недостатки и положительные стороны использования того или иного угла развала кулачка на различных двигателях. В большинстве автомобилей, оснащенных двигателем с 4 цилиндрами, рекомендуется использовать угол развала кулачка 108°, некоторые двигатели с большим объемом будут работать эффективнее при угле развала кулачка 110°. В 6- и 8- цилиндровых двигателях с нижним расположением распредвала с частотой вращения двигателя, ограниченной до 5500 об/мин, используется угол развала кулачка 108° и кулачки профиля II и III или угол развала 110° и кулачки профиля IV. В шестицилиндровых двигателях с верхним расположением распредвала с частотой вращения двигателя, ограниченной до 6500 об/мин, угол развала составляет 110° и используются кулачки профиля I, II и III или угол развала 112° и кулачки с профилем IV.

В таблице показано влияние изменения угла развала кулачка. Сначала использовался распредвал с длительной фазой открытия. Владелец хотел модифицировать свой автомобиль таким образом, чтобы достичь технических характеристик автомобиля BMW путем простой замены распредвала и очистки головки блока цилиндров. Система выпуска отработавших газов должна была работать тише, что требовало установки прямоточной системы с диаметром труб 57 мм. Вследствие длительной фазы впуска и короткой фазы выпуска для первого кулачка был выбран угол развала 115°. Максимальная мощность возросла, но ускорение было удовлетворительным на высоких передачах, как только частота вращения двигателя достигала 4000 об/мин. Это не устраивало владельца, так как автомобиль использовался чаще всего для движения по городу. Для второго кулачка был выбран угол развала 112°. При этом мощность падала, как только частота вращения двигателя превышала 5000 об/мин, однако на низких оборотах двигателя мощность возросла.

Таблица 4.3. Влияние изменения угла развала кулачка на примере автомобиля Holden с двигателем объемом 3,3 л.

Тестирование № 1 – заводской двигатель и система выпуска отработавших газов.

Тестирование № 2 – кулачек с профилем V с подъемом впускного клапана 11 и выпускного клапана 10 мм, фазой открытия 222° для впускного и 218° для выпускного клапана, угол развала кулачка 115°.

Тестирование № 3 – кулачек с профилем V с подъемом клапанов, как и при тестировании № 2, угол развала кулачка 112°.

Однако на практике данная теория не всегда срабатывает. Например, в таблице 4.4 приведены результаты тестирования автомобиля Chevrolet 350, модифицированного для максимального снижения расхода топлива. Во время первого тестирования использовался стандартный распредвал, однако оказалось, что при использовании кулачков с углом развала 108° на средних оборотах расход топлива мог бы уменьшиться, а мощность – увеличиться. Затем был установлен другой тип распредвала. Результаты не оправдали ожиданий. Нижняя часть диаграммы упала, а пиковая мощность возросла. Во время тестирования на динамометрическом стенде расход топлива при наполовину открытой дроссельной заслонке не изменился.

Таблица 4.4. Влияние изменения угла развала кулачка на примере автомобиля Chevrolet 350.

Тестирование № 1 – кулачок с профилем III, подъем впускного клапана 11,5 мм, подъем выпускного клапана 10 мм, фаза открытия впускного и выпускного клапана – 206°, угол развала кулачка 110°.

Тестирование № 2 – кулачок с профилем II, с тем же подъемом и фазой открытия впускного и выпускного клапана, угол развала кулачка 108°.

Другое устройство, которое можно использовать для изменения технических характеристик распредвала, это фазовращатель, при помощи которого можно изменять длительность фаз газораспределения. Большое количество производителей поставляют распределительные валы уже со смещенными фазами газораспределения. Вы можете убедиться в этом, просмотрев данные фаз газораспределения.

Например, фазы газораспределения могут выглядеть следующим образом: 30/60, 66/20. прежде всего, необходимо определить фазу открытия впускного и выпускного клапана. Фаза открытия впускного клапана равна: 30°+180°+60°=270°, в то время как фаза открытия выпускного клапана составляет: 66°+180°+20°=266°. Затем необходимо рассчитать точку максимального подъема впускного и выпускного клапана по отношению к коленчатому валу. Если только распредвал не оснащен ассиметричными кулачками точка максимального подъема клапана должна находиться точно посредине точкой открытия и закрытия. Следовательно, в данном примере точка максимального подъема впускного клапана будет находиться на 135° (270°/2=135°), а точка максимального подъема выпускного клапана будет находиться на 133°. Затем для впускного клапана необходимо вычесть точку открытия клапана (30° до верхней мертвой точки) из фазы открытия клапана, разделенной пополам. (135°). Таким образом, впускной клапан будет полностью открыт на 105° после верхней мертвой точки (135°- 30°=105°). Для выпускного клапана все вычисления выполняются аналогичным способом, однако необходимо вычесть угол закрытия клапана (20° после верхней мертвой точки). Следовательно, если максимальная точка подъема выпускного клапана будет находиться на 113° перед верхней мертвой точкой. Чтобы вычислить угол развала углы максимальной точки подъема необходимо сложить и разделить пополам, получим результат 109° (105°+113°/2=109°). Если используется составной распредвал, точка максимального подъема клапана будет находиться на 109° перед верхней мертвой точкой вместо 105° для впускного клапана и на 109° перед верхней мертвой точкой вместо 113°. Это говорит о том, что кулачок был установлен на 4° смещения в сторону опережения, то есть впускной и выпускной клапан будут открываться и закрываться на 4° раньше, чем при положении «нейтрали».

Диаграмма фаз газораспределения показывает влияние смещения в сторону опережения или задержки в распредвале, оснащенном идентичными впускными и выпускными кулачками с фазой открытия 270°. Угол развала первого кулачка составляет 112° с фазами газораспределения 23/67, 67/23. Второй кулачок с таким же профилем имел угол развала 108°, при этом фазы газораспределения составляли 27/63, 63/27. при выполнении смещения в сторону опережения на 4° при помощи шпонки шестерни распредвала, фазы газораспределения будут выглядеть следующим образом: 27/63, 71/19. При закрытии впускного клапана на 4° раньше происходит уменьшение объема обратного потока, расход топлива уменьшается, а мощность увеличивается при средней частоте вращения двигателя. Также при открытии выпускного клапана на 4° раньше эффективность системы выпуска отработавших газов также возрастет.

Сравнивая распредвал с углом развала 112° и смещением в сторону опережения 4° с распредвалом с углом развала 108°, вы можете задуматься: зачем выполнять все перечисленные выше модификации, если фазы газораспределения останутся неизменными 27/63?

Смещение фаз приводит к более раннему открытию и закрытию клапанов, что увеличить мощность и экономичность на средней частоте вращения двигателя.

Почему просто не установить кулачок с углом развала 108°? Что же, возможно, нам просто необходимо уменьшить период перекрытия клапанов в некоторых кулачках профиля IV. Также мы можем хотеть, чтобы выпускной клапан открывался раньше (71° после нижней мертвой точки по сравнению с 63° после нижней мертвой точки), так как система выпуска отработавших газов недостаточно эффективна.

Повторяю, четких правил не существует, однако в некоторых примерах, я бы порекомендовал оставить кулачек в положении «нейтрали» или использовать смещение в сторону задержки. Обычно я устанавливаю кулачки с углом развала 108° и 110° со смещением в сторону опережения 4° или 5°, чтобы поддерживать как можно более высокое давление в цилиндре на низких оборотах. Это очень важно, если степень сжатия намеренно снижена после установки турбонаддува или использования неэтилированного топлива или другого типа топлива с низким октановым числом. Некоторые любители тюнинга и большинство производителей автомобилей устанавливают кулачки со смещением в сторону задержки на 2°-8°. Чаще всего любители тюнинга прибегают к этой модификации, так как убеждены, что более высокая степень сжатия лучше. Чтобы обеспечить нормальную работу двигателя при высокой степени сжатия, необходимо убедиться, что некоторая часть топливовоздушной смеси будет выталкиваться из цилиндра через впускной клапан, закрывающийся позже, чтобы избежать детонации на малых оборотах. Также фаза открытия выпускного клапана обычно на 14° больше, чем фаза открытия впускного клапана, чтобы обеспечить попадание всех отработавших газов в цилиндр, пока выпускной клапан не закроется. Затем отработавшие газы разбавляют топливовоздушную смесь несгораемыми молекулами, что приводит к нарушению и замедлению сгорания и помогает избежать детонации. Производители автомобилей используют смещение в сторону задержки чаще всего не для того, чтобы увеличить степень сжатия, а чтобы снизить выброс оксидов азота (NOx). Топливовоздушная смесь, разбавленная отработавшими газами, сгорает медленнее и с выделением меньшего количества тепла, что приводит к образованию меньшего количества NOx. В результате, расход топлива на средней эксплуатационной скорости увеличивается, а технические характеристики на низких оборотах снижаются.

Многие автолюбители интересуются, нужно ли им изменять фазу распределительного вала или просто совместить установочные метки и надеяться на лучшее. Нужно отметить, что последний вариант не является оптимальным решением, особенно для двигателей с распредвалом в головке блока цилиндров, так как любая обработка головки блока цилиндров смещает фазы распределения, обычно в сторону задержки. Однако это не значит, что необходимо изменять фазу распредвала. Например, если вы решили оставить заводской распредвал, а конструкция двигателя позволяет произвести смещение фаз в сторону опережения или замедления, при тестировании на динамометрическом стенде необходимо запустить двигатель и выполнить смещение, пока не будут получены необходимые технические характеристики. Если в вашем автомобиле установлен распредвал с кулачками закругленного профиля, я чаще всего выполняю те же действия, используя тестирование на динамометрическом стенде. Если установлен распредвал с кулачками «квадратного» профиля, сначала необходимо проверить фазу, зазор между клапаном и цилиндром, и только после этого приступать к тестированию на динамометрическом стенде.

Так как теперь вы знаете основные принципы установки фаз газораспределения вала, вы можете решить, каким именно образом изменить фазы распредвала. Например, фаза распредвала может быть смещена в сторону задержки на 2°, поэтому не бойтесь выполнить смещение в сторону опережения на 5°, если думаете, что это необходимо. С другой стороны, фаза может быть смещена в сторону опережения на 3°, а вам необходимо сместить ее в сторону опережения на 5°, однако, после выполнения необходимых действий вы поймете, что на самом деле фаза смещена на 4°. Поэтому никаких действий предпринимать не стоит, потому что при смещении фазы менее, чем на 2°, вряд ли можно ощутить изменения. После того как установочные метки на распредвале были совмещены, необходимо определить в каком положении находится распредвал по отношению к коленчатому валу. Другими словами, смещен ли он в сторону опережения или задержки и на сколько градусов? Для этого вам понадобится угломер на 360° по крайней мере 203 мм который можно прикрепить к передней части коленчатого вала. Также вам понадобится индикатор часового типа, чтобы измерить подъем кулачка, и указатель, который можно прикрепить под боли и вращать вокруг передней части угломера.

В распределительном механизме звездочка с установочными отверстиями под штифты работает лучше, чем звездочка с нониусом. Заводская звездочка с установочными отверстиями была специально обработана, чтобы позволить сместить распредвал в сторону опережения на 5°, 8°, 11° или 14°. Наилучшие технические характеристики достигаются при смещении распредвала в сторону опережения на 11°. Первоначально распредвал был смещен в сторону задержки на 81/2°, что объясняет такой большой градус, необходимый для опережения.

Сначала, необходимо точно определить верхнюю мертвую точку, для этого необходим жесткий упор. Если установлена головка блока цилиндров, подходящим жестким упором может стать старая свеча зажигания без изолятора и стальной впаянный стержень, выступающий из резьбы и не дающий поршню достигнуть верхней мертвой точки. Вы сможете проще определить верхнюю мертвую точку, если снимете головку блока цилиндров. Тогда стальной стержень можно прикрепить к верхней части цилиндра, чтобы поршень не доставал до верхней мертвой точки. Многие поршни не выступают за край цилиндра в верхней мертвой точке, поэтому в центре необходимо закрепить болт в центральной части стержня жесткого упора.

После установки стержня жесткого упора, проверните коленчатый вал до упора, при этом будьте осторожны, не повредите поршень. Учитывайте также угол установки указателя и поворачивайте коленчатый вал в противоположенном направлении, пока поршень не соприкоснется с точкой жесткого упора. Посредине между двумя точками жесткого упора находится верхняя мертвая точка, поэтому необходимо снять точку жесткого упора и провернуть коленчатый вал до верхней мертвой точки. Теперь очень осторожно ослабьте крепление угломера и поверните его, чтобы выровнять точку начала отсчета с указателем. В качестве повторной проверки, установите на место жесткий упор, и поверните коленчатый вал в обоих направлениях. Если угломер правильно установлен, коленчатый вал остановится под тем же углом до и после верхней мертвой точки.

Как только верхняя мертвая точка была определена, вы можете определить фазы газораспределения. Пытаться изменить фазу распредвала, опираясь на данные, указанные производителем – бесполезная трата времени. Если фазы газораспределения были установлены для подъема 1,3 мм, данные цифры могут использоваться, так как гидротолкатель полностью выбирает зазор и занимает необходимое положение. Надежно установите угломер, чтобы получить точные данные толкателя (а не коромысла) и запишите определенные углы при подъеме клапана на 1,3 мм. Если цифры, указанные производителем, будут, скажем, 2/34, 42/-6, это значит, что при подъеме клапана на 1,3 мм открытие впускного клапана будет на 2°до верхней мертвой точки, а закрытие – на 34° после нижней мертвой точки, открытие выпускного клапана будет на 42° перед нижней мертвой точкой, и закрытие – на 6° перед верхней мертвой точкой. Это распредвал с профилем IV, с фазой открытия клапана 216° при подъеме на 1,3 мм, смещением в сторону опережения на 4° с углами развала кулачков 110°. Если при проверке фаз Вы получили следующие данные: 0/36, 40/-4, значит, кулачок был смещен в сторону опережения на 2°, в таком случае необходимо установить шпонку распределительного механизма, чтобы увеличить смещения в сторону опережения до 5°, что нам и нужно.

Если производитель распределительного вала указал фазы распределения 23/59, 59/23, необходимо рассчитать угол развала кулачка и затем приступать к модификациям. Это составной распредвал с углом развала кулачков 108°. Необходимо установить максимальный подъем впускного клапана на 104° после верхней мертвой точки и максимальный подъем выпускного клапана на 112° перед верхней мертвой точкой, то есть сместить фазу в сторону опережения на 4°. Если фазы вала распределены таким образом, что максимальный подъем впускного клапана находится на 110° после верхней мертвой точки, а максимальный подъем выпускного клапана находится на 106° перед верхней мертвой точкой, значит, фазы смещены в сторону задержки на 2°, поэтому необходимо использовать шпонку с углом 6°, чтобы сместить фазы на 4°.

Определив, что распредвал необходимо сместить, чтобы изменить фазу газораспределения, вы столкнетесь с новой проблемой: как именно сделать это? В некоторых случаях, это довольно просто, так как двигатели оснащены звездочкой с нониусом (например, автомобили Jaguar и Alfa Romeo). Однако в большинстве автомобилей для установки шестерни распределительного механизма используются штифты и шпонки.

В штифтовом соединении должно быть установлено несколько штифтов, и если звездочка распределительного механизма крепится к распредвалу при помощи нескольких болтов, в таком случае отверстия потребуют расширения при помощи круглого напильника.

Необходимое смещение составляет минуту. Например, в автомобилях с нижним расположением распредвала English Ford с объемом двигателя 4 л смещение звездочки распредвала на 0,15 мм будет составлять 1° на коленчатом валу. Следовательно, если необходимо установить смещение распредвала в сторону опережения на 4°, тогда необходимо использовать штифт со смещением 0,6 мм.

Обычно производители могут изготовить различные виды модифицированных шпонок, втулок и штифтов, которые могут использоваться в различных механизмах. Другие могут производить звездочки с нониусом, подходящих, например, для двигателей автомобилей Pinto объемом 2 л. Для большинства американских автомобилей с двигателем V8 в свободной продаже имеются звездочки привод коленчатого вала с тремя шпоночными канавками для изменения фаз газораспределения.

Если вы не сможете найти ничего подходящего для вашего двигателя, вам придется изготовить все самостоятельно. Имейте в виду, что штифт не нуждается в дополнительном уплотнении, так как в большинстве случаев, он не передает движущую силу. Усилие передается через трение между звездочкой и валом (установлена шпонка) или через давление между звездочкой и распределительным валом, создающимся болтами крепления (установлен штифт). В таком случае болты крепления должны быть зафиксированы при помощи герметика Loctite.

Многие автолюбители не всегда понимают, каким образом необходимо сместить распредвал в сторону опережения или задержки. Чтобы выполнить смещение в сторону опережения по отношению к звездочке распределительного механизма, необходимо переместить распредвал вперед в направлении вращения распределительного механизма. Чтобы выполнить смещение в сторону задержки, необходимо переместить распредвал назад или в направлении противоположном обычному вращению.

Так как частота вращения распредвала в два раза меньше частоты вращения коленчатого вала, по сравнению с коленчатым валом он пройдет только половину оборота. Следовательно, если фаза распредвала смещена в сторону задержки на 6° от необходимого значения, необходимо выполнить смещение в сторону опережения на коленчатом валу, и только на 3° на распределительном валу. Таким образом, если регулировка фаз газораспределения будет выполнена между распредвалом и распределительным механизмом, понадобится ступенчатая шпонка 3°.

Для улучшения технических характеристик необходимо изменить фазу распредвала. Чтобы сместить фазу в сторону опережения, необходимо переместить распредвал вперед в направлении вращения кулачкового механизма.

Чтобы точно рассчитать, насколько шпонка или штифт должны быть смещены, чтобы получить значение 3°, необходимо точно измерить радиус между центром распредвала и шпонки или штифта. Предположим, что мы получили значение 15 мм. Это значит, что за полный оборот в 360° шпонка переместится по кругу радиусом 15 мм и длинной окружности примерно 95 мм (2×π×15=95). Поэтому, чтобы сместить распредвал на необходимый градус, необходимо переместить шпонку или штифт на 0,8 мм (95×3/360=0,8), и распредвал будет смещен в сторону опережения на 6°, измеренный на угломере, прикрепленном к коленчатому валу.

Если изменение фаз газораспределения необходимо выполнить, переместив шестерню на коленчатом валу, процедура действий будет слегка отличаться. Чтобы сместить распредвал звездочку распределительного механизма на коленчатом валу необходимо переместить вперед на передней части коленчатого вала по отношению к стандартному направлению вращения коленчатого вала. Если необходимо выполнить смещение распредвала в сторону задержки, тогда шестерню на коленчатом валу необходимо переместить назад в направлении обратном вращению коленчатого вала. Степень смещения шпонки рассчитывается так же, как и в предыдущем примере, однако смещение должно составлять полное полученное значение, а не половину, как в прошлом примере, когда производились модификации в распределительном валу. Следовательно, если фазы должны быть смещены на 6°, шпонка также будет смещена на 6°.

Разнообразные системы кулачковых приводов используются различными производителями автомобилей, и большинство из них буду достаточно надежными при использовании кулачков с закругленным профилем. В наше время, большинство систем привода используют либо цепь привода газораспределительного механизма, либо зубчатый ремень. Цепи или ремни, расположенные на стальных звездочках будут работать без проблем, если только обеспечено должное натяжение, однако не рекомендуется использовать стальные звездочки с зубцами, покрытыми нейлоном, чтобы уменьшить шум работы. Зубчатая передача обычно может доставить больше проблем, так как серийное зубчатое колесо, особенно шестерня распределения на распредвалу, может быть произведено из звукопоглощающего материала, например, сжатого волокна, стали покрытой нейлоном, алюминия, сжатого порошкового метала. В таком случае, его необходимо заменить на шестерни из сплавов или стали, так как зубцы быстро изнашиваются даже с заводским распредвалом и пружинами клапанов.

Если фазы клапана были изменены при помощи распределительной шестерни на коленчатом валу, необходимо сместить шестерню на полученное количество градусов (а не на половину, как в примере со смещением шестерни распределения на распредвале).

Не смотря на то, что зубчатая передача используется в автомобильной промышленности в течение длительного времени, постоянно возникают вопросы относительно периодичности замены и правильной установки ремня. При использовании кулачков с закругленным профилем, можно спокойно соблюдать периодичность замены, рекомендуемую производителем, однако для уверенности, можно проконсультироваться со шлифовщиком распредвала. Очень часто данные производителя автомобиля относительно периодичности замены ремня не соответствуют действительности. Например, многие владельцы автомобиля Lancia Integrale жаловались, что при заявленной периодичности замены каждые 95000 км пробега ремень привода был поврежден после половины пройденного пути, что также повлекло за собой повреждение головки блока цилиндров и клапанов в некоторых случаях.

При установке ремня, необходимо быть очень осторожным, чтобы не он не запутался, при повторной установке ремня проследите, чтобы он вращался в том же направлении. При установке ремня я всегда размещаю его таким образом, чтобы по отношению к цилиндру № 1 тиснение на ремне было расположено в необходимом направлении.

Зубчатые ремни распредвала не так долговечны, как цепь привода газораспределительного механизма. Поэтому, чтобы избежать серьезных повреждений клапанов, головки блока цилиндров и поршней, необходимо регулярно выполнять их замену.

Большинство автолюбителей рассматривают понятие экономичности только с точки зрения расхода топлива. Однако нужно смотреть шире. Я считаю, что понятие экономичности включает в себя также приобретение функциональных и качественных деталей по умеренной цене, а также должное техническое обслуживание для продления срока эксплуатации. Например, совершенно невыгодно устанавливать гидротолкатели, бывшие в употреблении после замены распредвала, так как изношенные гидротолкатели могут повредить некоторые кулачки. Также неэкономичным решением будет приобретение дешевого необработанного распредвала. Кулачки (не опорная шейка вала) должны быть подвергнуты специальной обработке, после которой использование масла не обязательно. Распредвал подвергается обработке после того, как опорная шейка вала подвергнется термохимической обработке путем погружения в резервуар с фосфорной кислотой, разогретой до высокой температуры. Эта кислота довольно едкая, поэтому разъедает поры только что обработанных кулачков, таким образом, смазка будет более эффективной. Затем следует фосфатное покрытие, для облегчения обкатки. Чтобы обеспечить нормальную смазку в период обкатки, я рекомендую покрыть кулачки и гидротолкатели смесью гипоидного трансмиссионного масла 140 и дисульфида молибдена под высоким давлением. Первые 10-15 минут являются критическими для нового распредвала, поэтому необходимо поддерживать частоту оборотов на уровне 2000-2500 об/мин, чтобы обеспечить доступ потока масла к распредвалу толкателям клапана.

Меня часто спрашивают, нужно ли заменять стандартные гидротолкатели на более «экзотические» при установке соответствующего распредвала. Что же, в течение многих лет, я не отдавал предпочтение гидравлическим толкателям и распредвалам, однако в наше время технические характеристики распредвалов, оснащенных гидротолкателями, сопоставимы, а в некоторых случаях и превосходят технические характеристики распредвалов с жесткими толкателями, особенно с кулачками профиля V. Распредвалы с жесткими и роликовыми толкателями более эффективны, так как работают плавно на холостых оборотах особенно после расточки с профилем V, а в двигателях гоночных автомобилей они способствуют увеличению мощности. Однако в легковых автомобилях, использующихся в стандартных дорожных условиях, распредвалы с гидротолкателями работают лучше, при этом они более «тихие» и не требуют частого технического обслуживания.

Некоторые производители автомобилей начали выпускать распредвалы с роликовыми толкателями для легковых автомобилей, которые подходят как для гидравлических, так и для роликовых толкателей. Однако если только заводской двигатель автомобиля не оснащен распредвалом с гидротолкателем, я не рекомендую использовать данный тип толкателей. Необходимую мощность и экономичность можно получить, используя обычную и надежную шлифовку плоской части кулачка. Однако если, например, владелец Chevrolet 350 захочет увеличить мощность до 450 л.с., я порекомендовал бы установить распредвал с роликовыми толкателями.

Еще совсем недавно, любители тюнинга, специализирующиеся на модификации распредвала не слишком распространялись об ассиметричных распредвалах, которые начали использовать. Действительно, это было не ново, так как много лет автолюбители использовали ассиметричную шлифовку, однако рекламные акции заставили большое количество людей поверить в то, что этот профиль гораздо эффективнее, чем стандартные симметричные профили. В действительности, лишь небольшое количество распредвалов обладает полностью идентичными профилями, так как у многих из них фазы закрытия кулачков на 10° длиннее, чем фазы открытия. Однако так как нас интересует только часть кулачков за фазами открытия и закрытия, принято считать, что профиль кулачков симметричен, фаза открытия имеет такую же длительность открытия и профиль, что и фаза закрытия. В свою очередь, асимметричные кулачки имеют фазу открытия на несколько градусов короче, чем фаза закрытия.

Кулачки данного распредвала были повреждены вследствие использования изношенных толкателей с вогнутым профилем. Чтобы избежать подобных повреждений, при замене распредвала необходимо устанавливать новые или перешлифованные толкатели.

Однажды из любопытства я приобрел асимметричные кулачки, чтобы разобраться, в чем их преимущества и недостатки. Раньше я считал, что данные кулачки не могут существенно увеличить мощность, они только снижали шум работы распредвала. После проверки, я обнаружил несколько интересных фактов. Действительно, асимметричные кулачки не давали широкий диапазон мощности, как заявляли производители, однако это относилось к ассиметричным кулачкам с разницей между фазами открытия и закрытия до 4°. Мощность возросла только при использовании асимметричных кулачков, где фаза закрытия была на 15° короче, чем фаза открытия.

Некоторые убеждения, относительно эффективности высокого подъема клапанов также могут быть не совсем верными. Как упоминалось ранее, при высоком подъеме клапана увеличивается износ направляющей клапана, а при использовании переточенных клапанов, возникает другая проблема. Если только не используется совершенно новый, не модифицированный распредвал, данной проблемы можно избежать, выполнив расточку основного диаметра окружности. Таким образом, можно уменьшить реальный диаметр распредвала, ослабляя данную часть. В таком случае, когда кулачок начинает толкать клапан с целью его открытия, вал слегка сгибается, при этом фаза клапана изменяется, а подъем клапана уменьшается. Поэтому распредвал с подъемом клапанов, например, 11 мм в действительности может поднимать клапаны лишь на высоту 10 мм, если используется жесткий толкатель. Изгиб распредвала может сократить реальную высоту подъема клапанов до 0,4 мм, зазор клапана – на 0,5 мм, изгиб клапанного механизма – на 0,1 мм. Я видел переточенные распредвалы, где реальные значения подъема клапанов отличались на 0,5 мм, только потому, что распредвал сгибался слишком сильно, вследствие уменьшения диаметра вала, а подшипников было слишком мало, и находились они слишком далеко друг от друга.