|
|
Детальное описание четырехтактного цикла:
последовательность работы клапанов и моменты зажигания
Теперь мы остановимся на этом более подробно, в особенности
на вопросах, связанных с открыванием и закрыванием клапанов.
Во-первых, необходимо отметить, что клапан не может
мгновенно переключиться из полностью закрытого в полностью
открытое состояние и наоборот. В действительности открывание
и закрывание клапанов происходит за время поворота
коленчатого вала на значительный угол. Так, например, для
того, чтобы обеспечить эффективное открытие клапана в начале
цикла, он должен начать открываться до достижения мертвой
точки; таким же образом, для того, чтобы он был эффективно
открыт в конце такта, он не должен полностью закрываться до
тех пор, пока не будет пройдена мертвая точка.
Даже если бы клапаны могли открываться и закрываться
мгновенно, мертвые точки не являются наилучшими точками для
открывания и закрывания клапанов, в особенности при малых
оборотах коленчатого вала двигателя. Двигатель будет
работать наиболее эффективно, если через камеру сгорания
будет проходить наибольшая масса воздуха и топлива и
эффективно сгорать при этом. Предположим, что двигатель
работает с достаточно большими оборотами коленчатого вала.
Наиболее подходящий момент для открытия впускного канала
зависит от условий в конце такта выпуска, и мы начнем
рассмотрение, когда поршень движется в цилиндре вниз, во
время такта впуска, и впускной канал уже широко открыт (рис.
10.1). Перемещение поршня вниз уменьшает давление внутри
цилиндра, так что атмосферное давление нагнетает воздух
через карбюратор и по впускной трубе, то есть поток воздуха
через трубу ускоряется. Инерция этого воздуха (его
сопротивление изменению скорости) приводит к его
запаздыванию по отношению к перемещению поршня, так что в то
время, когда поршень достигает своей максимальной скорости
(приблизительно на половине хода вниз), давление внутри
цилиндра меньше атмосферного, но на второй половине хода,
когда скорость поршня замедляется, поток воздуха может
поспевать за поршнем и давление внутри цилиндра поднимается
до атмосферного давления.
В нижней мертвой точке направление перемещения поршня
изменяется на противоположное, но движение потока воздуха во
впускной трубе к цилиндру по инерции приводит к продолжению
подачи воздуха в течение некоторого времени при выполнении
следующего хода — при условии, что клапан остается открытым
(рис. 10.2). В то же время при этом такте движение поршня
вверх ведет к увеличению давления внутри цилиндра до
величины, достаточной для прекращения потока воздуха внутрь
и начала выталкивания воздуха из цилиндра (рис. 10.3), а
наибольшее количество воздуха оказывается внутри цилиндра в
момент закрывания впускного клапана. Это всегда происходит
после прохождения НМТ. Насколько именно позже, зависит от
оборотов вала двигателя, длины и диаметра впускной трубы и
степени открытия дроссельной заслонки.
Приблизительно в конце такта сжатия топливо зажигается и
сгорает, давление газа увеличивается и поршень движется в
цилиндре вниз, то есть происходит рабочий ход. При
перемещении поршня вниз, увеличение объема над поршнем ведет
к падению давления газа, но если выпускной клапан остается
закрытым, давление будет выше атмосферного, когда поршень
достигнет НМТ. Это давление будет оказывать существенное
сопротивление движению поршня вверх во время такта выпуска,
далее если выпускной клапан будет теперь открыт. Более того,
когда поршень достигает НМТ, рычажное действие шатуна на
коленчатый вал стремительно уменьшается и вращающее
воздействие на коленчатый вал от давления на поршень
стремительно падает. При раннем открывании выпускного
клапана, то есть до того, как поршень достигнет положения
НМТ, значительная часть сгоревших газов выйдет до того, как
поршень начнет двигаться вверх в такте выпуска, и давление
во время этого такта — а значит и противодействие
перемещению поршня вверх — уменьшится очень значительно (см.
рис. 10.4). Момент открывания выпускного клапана должен
выбираться очень тщательно, чтобы как можно меньше терять в
действии давления во время перемещения поршня вниз при
рабочем ходе, и в то же время обеспечить выход как можно
большего количества газа до достижения НМТ, чтобы до
минимума сократить противодействие движению поршня вверх во
время такта выпуска.
Таким образом, отработанные газы уже вышли из цилиндра и
направляются в выпускную трубу, прежде чем поршень начинает
движение в такте выпуска. Во время своего хода поршень
увеличивает скорость движения газов в выпускном
трубопроводе. Когда поршень достигает ВМТ и скорость его
движения вверх уменьшается, инерция газа, движущегося в
выпускном трубопроводе, создает некоторое разрежение внутри
цилиндра. Как только давление внутри цилиндра падает ниже
давления во впускном коллекторе, в цилиндр после открывания
впускного клапана начинает подаваться свежая смесь. Это
обычно происходит до достижения поршнем положения ВМТ — то
есть при открывании впускного клапана до закрытия выпускного
клапана инерция отработанных газов может использоваться для
начала подачи свежей смеси в цилиндр без какой-либо помощи
поршня.
Свежая смесь, поступающая в цилиндр, будет, естественно,
затягиваться в канал выпуска, вытесняя отработанные газы.
Размещение клапанов с противоположных сторон камеры сгорания
заставляет свежую смесь продвигаться в направлении поперек
камеры сгорания на своем пути от канала впуска до канала
выпуска. Это обеспечивает тщательную продувку камеры
сгорания и очистку ее от отработанных газов, и заполнение
цилиндра двигателя свежей смесью. Если каналы располагаются
слишком близко друг к другу, свежая смесь может достигнуть
канала выпуска, не вытеснив весь отработанный газ из
цилиндра. Правильным моментом закрывания канала выпуска
будет тот момент, когда свежая смесь поступает к нему.
Таким образом, момент открывания впускного клапана и момент
закрывания выпускного клапана зависят от следующих факторов:
1 Скорости протекания отработанных газов по выпускному
трубопроводу. Это, в свою очередь, зависит от оборотов
коленчатого вала двигателя, степени открытия дроссельной
заслонки, длины и диаметра выпускного трубопровода и
сопротивления, оказываемого глушителем.
2 Давления во впускном коллекторе, которое зависит от
оборотов вала двигателя и степени открытия дроссельной
заслонки.
3 Расположения каналов по отношению к камере сгорания и по
отношению друг к другу.
Впускной клапан обычно открывается немного раньше достижения
поршнем ВМТ, а выпускной клапан остается открытым некоторое
время после его достижения НМТ. Так, в течение времени
поворота коленчатого вала на некоторый угол вблизи ВМТ, оба
клапана бывают открыты одновременно. Открывание впускного
клапана перекрывается по времени с закрыванием выпускного
клапана: это называется временем перекрытия клапанов.
Хотя при больших оборотах коленчатого вала двигателя
предпочтительно большое перекрытие клапанов, если каналы
располагаются с противоположных сторон камеры сгорания, для
двигателя может оказаться при этом невозможно работать на
холостом ходу или работать медленно при малой нагрузке. При
малых оборотах вала двигателя и небольшом открытии
дроссельной заслонки давление во впускном коллекторе будет
значительно ниже атмосферного давления (что можно наблюдать
по показаниям вакуумметра, установленного на впускном
коллекторе). Количество вышедшего из цилиндра газа невелико
и он перемещается медленно, имеет малую инерцию, благодаря
чему он не уменьшает давление в цилиндре до давления
значительно меньше атмосферного.
При таких условиях перекрытие клапанов ведет к замедлению
движения свежей смеси во впускном коллекторе. Таким образом,
при последующем такте впуска цилиндр будет заполняться
большим количеством остаточных газов и очень малым
количеством свежей смеси, которая может даже не зажечься при
появлении искры. Если, например, от двигателя никогда не
требуется работа на малых оборотах, если это, скажем,
двигатель гоночного автомобиля, это не имеет значения, но
всем двигателям, использующимся в обычных автомобилях,
иногда приходится работать на оборотах холостого хода, и для
таких двигателей величина перекрытия клапанов должна быть
ограничена. Подводя итоги, можно сказать следующее:
1 Впускной клапан остается открытым после прохождения
поршнем НМТ в конце такта впуска. Это называется
запаздыванием закрывания впускного клапана.
2 Выпускной клапан открывается до достижения поршнем НМТ в
конце рабочего хода (опережение открывания выпускного
клапана).
3 Выпускной клапан обычно остается открытым после
прохождения ВМТ в конце такта выпуска (запаздывание
закрывания выпускного клапана).
4 Впускной клапан обычно открывается до закрытия выпускного
клапана (перекрытие клапанов) и обычно до достижения ВМТ
(опережение открывания впускного клапана).
5 Величина опережения и запаздывания открывания и закрывания
клапанов и величина перекрытия клапанов зависит от
конструкции двигателя — в особенности от расположения
каналов, а также устройства систем впуска и выпуска — и от
того, каких характеристик двигателя необходимо добиться.
Моменты открывания и закрывания клапанов по отношению к
положению поршня и коленчатого вала называются моментами
газораспределения клапанов и правильные моменты
газораспределения — выбранные изготовителем двигателя —
приводятся в форме таблицы или в виде диаграммы моментов
газораспределения клапанов. Некоторые примеры таблиц и
диаграмм моментов газораспределения клапанов приведены на
рис. 10.6, вместе с коротким описанием двигателей, к которым
они относятся: студенты могут составить подобные таблицы и
графики для других двигателей.
назад
>> |
|
