Выбор распредвала

Выбор распредвала

В случае с двигателями с наддувом не стоит зацикливаться на распредвалах и клапанном механизме. Все принципы, которые применяются для атмосферных двигателей, будут также верны и для двигателей с наддувом. Хотя двигатели с наддувом не слишком прихотливы и работают нормально практически с любым распредвалом, мы прекрасно знаем, что любой двигатель будет работать более эффективно при правильном подборе распредвала. К тому же в легковых автомобилях важно учитывать расход топлива, поэтому, хотя двигатели с нагнетателями и могут сохранить приемлемые технические характеристики управляемости при использовании распредвалов с большой длительностью открытия клапанов, скорее всего, расход топлива в таком случае резко возрастет. Следовательно, лучше остановиться на распредвале с меньшей длительностью открытия, даже в том случае, если при низкой частоте вращения крутящий момент будет чрезмерным и им придется пожертвовать, чтобы обеспечить нормальную работу двигателя при более высокой частоте вращения. В общем, можно сказать, что чем лучше конструкция головки блока цилиндров, а также чем более эффективна конструкция системы впуска и выпуска, тем меньше должны быть длительность открытия и высота подъема клапанов, чтобы обеспечить оптимальную мощность.

Как только мы откажемся от заводского распредвала, стоит отметить, что турбированные двигатели в этом отношении являются самыми неприхотливыми просто потому, что большая длительность и высота открытия будут негативно влиять на крутящий момент при низкой частоте вращения. Поэтому при широком диапазоне мощности в случае с легковым автомобилем длительность открытия должна быть на 10° меньше, а для гоночных автомобилей – на все 20°. Максимальная высота подъема клапанов должна быть меньше соответственно на 5 и 15% , чем вэквивалентном атмосферном двигателе (таблица 14.5).

Таблица 14.5. Распредвалы для турбированных двигателей

^*В двухклапанных двигателях высота подъема клапанов будет больше на 0,5–1,27мм.

Примечание:
Длительность открытия клапанов измеряется при высоте подъема 1,27 мм. Высота подъема клапанов измерена при нулевом зазоре.

Как угол развала кулачков распредвала влияет на технические характеристики

Угол развала кулачков (рис. 14.12) играет важную роль из-за разницы относительного давления во впускном и выпускном каналах турбированного двигателя. В атмосферном двигателе давление газов в выпускном канале минимальное в момент открытия впускного клапана во время периода перекрытия, а при определенной частоте вращения двигателя в выпускном канале возникнет разрежение, если подобраны выхлопные трубы необходимой длины. С турбированными двигателями подобного часто не происходит, так как во многих случаях обратное давление выхлопных газов благодаря сопротивлению потока, вызванному корпусом и турбинным колесом, будет выше, чем давление наддува. Поэтому во время периода перекрытия клапанов выхлопные газы могут направиться обратно во впускной канал (рис. 14.13). Эти газы будут разжижать впускной заряд, занимая объем, который предназначался для свежей топливовоздушной смеси. Также горячие выхлопные газы снижают плотность впускного заряда, увеличивая его температуру, а в крайних случаях высокая температура впускного заряда может привести к детонации.

Рис. 14.12. Установка фаз кулачков распредвала.

Рис. 14.13. Обратный поток выхлопных газов во впускной канал.

Эта проблема становится намного серьезнее в двигателях, где установлены небольшое турбинное колесо и корпус, чтобы увеличить мощность внижней части кривой и предотвратить образование турбоям. Поэтому эта проблема будет встречаться чаще в автомобилях для кольцевых раллийных гонок, чем в двигателях автомобилей, предназначенных для дрэг-гонок, но хуже всего дело обстоит с легковыми автомобилями, предназначенными для использования в условиях городского движения. Возможны всего три модификации распредвалов, чтобы сократить обратный поток выхлопных газов. Мы можем сократить длительность открытия клапанов, таким образом уменьшив время, в течение которого впускной и выпускной клапаны будут открыты. Мы также можем изменить конструкцию кулачков, чтобы уменьшить высоту подъема клапанов сседел в верхней мертвой точке, используя медленно открывающийся кулачок впускного клапана и быстро закрывающийся кулачок выпускного клапана. И в конце концов, мы можем разместить впускные и выпускные кулачки на большем расстоянии друг от друга, таким образом сокращая период перекрытия клапанов. Все три модификации можно использовать на двигателях гоночных автомобилей. К сожалению, существует предел того, насколько быстро могут закрываться выпускные клапаны на двигателях автомобилей, предназначенных для уличных гонок. В данном случае, если клапаны будут ударять по седлу слишком быстро, шум будет очень сильным, к тому же седла и клапаны будут подвержены быстрому износу, поэтому вторую модификацию в случае с подобными автомобилями можно вычеркнуть.

У двигателей с двумя распредвалами, естественно, есть преимущество, так как угол развала кулачков не зафиксирован, и, следовательно, при испытании двигателя на динамометрическом стенде вы можете перемещать впускные и выпускные кулачки независимо друг от друга, чтобы определить оптимальное расположение (чтобы выполнить подобную проверку на двигателе с одним распредвалом, придется выбрать кулачки сидентичным профилем, но при этом центральные оси кулачков будут располагаться под различными углами). Поэтому, если вы устанавливаете большую прямоточную систему выпуска отработанных газов на автомобиль в заводской комплектации, можно увеличить мощность примерно на 5%, перемещая кулачки и изменяя угол развала на 4–8°. Многие автомобили компании Nissan отлично переносят смещение угла развала впускного кулачка на 3–4° вперед и выпускного кулачка на 3–6° назад, а автомобили YB Ford Cosworth смогут нормально работать при изменении угла развала лишь наполовину от указанных выше значений. На самом деле многие успешные команды, участвующие в раллийных и кольцевых гонках, используют модифицированные кулачки.

В любом случае имейте в виду, что мы можем использовать успешно измененные углы развала кулачков только в том случае, если установлены модифицированная система выпуска отработанных газов, а также кулачки с закругленным профилем. Если вы используете распредвал стехническими характеристиками, приведенными в таблице14.5, вы, скорее всего, не сможете изменить угол развала кулачков. При приобретении распредвалов для турбированного двигателя запомните: чем меньше, тем лучше. Слишком маленький кулачок не будет ограничивать мощность ичастоту вращения на турбированном двигателе в отличие от атмосферного, а если это двигатель с двумя распредвалами, увеличение периода перекрытия обычно помогает вернуть потерянную мощность.

Подбор кулачков для двигателей с нагнетателями

Как уже говорилось ранее, двигатели с нагнетателями (особенно с нагнетателями Рутс или шнековыми нагнетателями) не нуждаются в увеличении крутящего момента при низкой частоте вращения двигателя. Поэтому теоретически вы можете использовать кулачки с закругленным профилем вдвигателях автомобилей для уличных гонок. Однако проблема двигателей с нагнетателями совершенно противоположна проблеме турбированных двигателей: давление во впускном канале обычно всегда выше, чем в выпускном канале, следовательно, во время периода перекрытия, по мере того как поршень будет подниматься в верхнюю мертвую точку, свежая топливовоздушная смесь будет проходить через открытый впускной клапан (рис. 14.14).

Рис. 14.14. Впускной заряд проходит через выпускной канал во время периода перекрытия клапанов.

Это помогает удалить выхлопные газы из цилиндра, охлаждает поршень, камеру сгорания и выпускной клапан – компоненты, которые способствуют выработке мощности, а также увеличению срока службы двигателя. Однако в двигателях автомобилей, предназначенных для уличных гонок, нам не нужно, чтобы топливовоздушная смесь проходила через выпускной канал. Это значительно увеличивает расход топлива, атакже количество вредных выбросов в атмосферу. Все это топливо может стать причиной перегрева каталитического нейтрализатора, при этом внутренние керамические компоненты расплавятся и засорят систему выпуска отработанных газов.

В прошлом в двигателях с нагнетателями часто использовались распредвалы с острыми кулачками (с достаточно короткой длительностью открытия клапанов от 95 до 100°), при этом период перекрытия клапанов был достаточно большим. Но подобные меры неприемлемы инежелательны. Как я уже пояснял, этот вариант не подходит для автомобилей, участвующих в уличных гонках. Так как мы уже знаем достаточно много о создании прямоточных головок блока цилиндров, систем впуска и выпуска для гоночных автомобилей, нам не нужен большой период перекрытия, чтобы удалить выхлопные газы из цилиндров. Мы скорее рассчитываем на выхлопные трубы и головку блока цилиндров, что означает, что мы можем увеличить угол развала кулачков, уменьшив период перекрытия и таким образом увеличив объем топливовоздушной смеси в цилиндрах, чтобы увеличить мощность. Охлаждение компонентов двигателя при помощи топливовоздушной смеси уже не так важно, так как мы можем использовать поршни и клапаны, изготовленные из более совершенных материалов, а также подавать охлаждающую жидкость всамые важные части головки блока цилиндров. К тому же должным образом отхонингованные гильзы позволяют поршням отдавать тепло более эффективно, следовательно, большая часть двигателей будет работать отлично с углом развала кулачков 112–115° и углом опережения 4–5°. Однако двигатели с двумя распредвалами, где используются заводские кулачки или кулачки с более закругленным профилем, чем указано втаблице14.6, обычно будут производить больше мощности (при этом расход топлива возрастет) после перемещения кулачков таким образом, чтобы получить максимальную высоту подъема клапанов при 104–108° перед и после верхней мертвой точки, таким образом увеличивая период перекрытия. Но двигатели Austin серии А и В с пятью каналами в автомобилях Mini и MG-B являются исключением. Так как пятиканальная конструкция затрудняет удаление выхлопных газов из цилиндров, они работают эффективнее, когда центральная часть кулачка располагается вдиапазоне 100–104°.

Таблица 14.6. Распредвалы для двигателей с нагнетателями

^*Автомобили используются для кольцевых ралли, гонок Hill Climb и раллийных гонок.

Примечание:
Длительность открытия клапанов измеряется при высоте подъема 1,27 мм. Высота подъема клапанов измерена при нулевом зазоре.

Говоря о двигателях с нагнетателями, стоит также отметить конструкцию головки блока цилиндров и относительную пропускную способность впускного и выпускного каналов. Головки блока цилиндров с двухклапанными полусферическими камерами сгорания, а также головки блока цилиндров с четырехклапанными двускатными камерами сгорания оснащены относительно большими выпускными клапанами (обычно 85–90% от размера впускных клапанов), а также выпускными каналами с высокой пропускной способностью. Однако в некоторых двигателях гоночных автомобилей выгода от уменьшения длительности открытия выпускных клапанов и высоты подъема до 5% была очевидна. И наоборот: в головках блока цилиндров большинства американских автомобилей с двигателями V8 были установлены относительно маленькие выпускные клапаны ивыпускные каналы с низкой пропускной способностью, следовательно, они работали лучше, когда длительность открытия выпускных клапанов была больше на 5 ~ 15°.

Распредвалы для двигателей с системами закиси азота

У кулачков двигателей с системами закиси азота много общего с кулачками двигателей, оснащенных нагнетателями. Мы не хотим, чтобы закись азота вытекала из выпускного канала во время периода перекрытия, поэтому необходимо использовать кулачки с более широкой центральной частью. Также, так как объем выхлопных газов увеличивается, нам часто приходится увеличивать длительность открытия выпускных клапанов. Возможно, самой большой дилеммой, с которой приходится сталкиваться при выборе подходящих кулачков для двигателей с впрыском закиси азота, является определение основной сферы использования автомобиля. В гоночных автомобилях все просто: мы выбираем кулачки для двигателей с впрыском закиси азота. Однако в случае с легковым автомобилем, использующимся также в условиях городского движения, могут возникнуть проблемы. Если мы установим кулачки, больше подходящие для работы с закисью азота, при нормальных рабочих условиях технические характеристики будут неудовлетворительными. С другой стороны, если мы установим стандартные кулачки, мы потеряем мощность при использовании системы впрыска. Если остановиться на промежуточном варианте, потери будут ощутимы в двух режимах работы.

Лично я считаю, что в таком случае ответ можно получить, задав себе следующие вопросы: «Предназначен ли автомобиль для ежедневной эксплуатации? Насколько глубоки модификации двигателя (то есть какова мощность в верхней части диапазона)? Каков относительный размер двигателя по сравнению с общей массой? Установлены ли в двигателе два распредвала с ременным приводом? Будет ли использоваться закись азота во время участия в гонках?» Если вы ответили положительно на несколько вопросов, я бы посоветовал установить кулачки для атмосферного двигателя. Коренным образом изменить решение может наличие двух распредвалов с ременным приводом, так как, используя регулируемые шкивы при участи в гонках, вы сможете просто изменять положение центральной части кулачков со 105–110° для атмосферного двигателя до 115–118°.

В двигателях с нагнетателями крутящий момент на низкой частоте вращения, который мы теряем, смещая центральную часть кулачков, можно компенсировать нагнетателем. Однако при использовании системы впрыска закиси азота потерянный крутящий момент возвращается только вмомент впрыска. Современные мощные четырехклапанные двигатели справляются с этим хуже, так как они обычно работают эффективнее суглом развала кулачков на 2–4° шире, чем значение 112–114°, которое часто используется в старых двигателях с параллельными клапанами. Также часто старые двигатели работают лучше с углом опережения кулачков 5–8°, что позволяет восстановить крутящий момент при низкой частоте вращения. Однако современные четырехклапанные двигатели теряют эффективность при использовании впрыска закиси азота, если угол опережения кулачков слишком большой. Поэтому, посмотрев таблицу14.7, учтите, что все четырехклапанные двигатели и некоторые двухклапанные двигатели с полусферическим камерами сгорания лучше ведут себя на дороге с кулачками для уличных гонок с центральной частью, установленной на 107–110°, или со спортивными кулачками, установленными на 105–108°. При этом угол опережения составляет 3–5°. Учтите, что с подобными относительно острыми углами развала ошибки быть не может, так как значительное увеличение давления вцилиндре будет стремиться сорвать головку блока цилиндров и крышки коренных подшипников с блока цилиндров.

Таблица 14.7. Распредвалы для двигателей с нагнетателями

^*Автомобили, использующиеся для гонок Hill Climb или дрэг-гонок.

^*1Градусы, на которые необходимо увеличить длительность открытия выпускных клапанов по сравнению с впускными.

^*2Автомобили с двухклапанными полусферическими камерами сгорания или четырехклапанные головки блока цилиндров, в которых необходимо использовать ту же длительность открытия клапанов, что и для двигателей с отношением коромысел 1:1.

Примечание:
Длительность открытия клапанов измеряется при высоте подъема 1,27 мм. Высота подъема клапанов измерена при нулевом зазоре.

Если вы используете систему впрыска закиси азота вместе с другой формой наддува, ситуация может измениться. Для турбированных двигателей свпрыском закиси азота необходимо выбирать кулачки для турбированного двигателя, так как закись азота используется только для преодоления турбоям. Если вы хотите увеличить мощность в верхней части диапазона, используйте большую систему отработанных газов и дайте закиси азота восполнить недостаток мощности при низкой частоте вращения, вместо того чтобы пытаться увеличить пиковую мощность посредством увеличения длительности открытия клапанов. Подобная ситуация и с центробежными нагнетателями. Выберите нагнетатель и соответствующие кулачки, чтобы добиться необходимой мощности. В случае с нагнетателями Рутс лучше использовать кулачки для систем с впрыском закиси азота. Нагнетатель обеспечит необходимую мощность при средней частоте вращения, а затем подключится система впрыска закиси азота, обеспечивая необходимую пиковую мощность.