Все о распредвалах

[Интервент 1,219]

Выкладываю свою статью о распредвалах. Это пока первый вариант, в дальнейшем некоторые детали дополню, по мере проверки информации на практике.

 

Прежде, чем говорить о конструкции распределительного вала, рассмотрим те процессы, которые протекают во время наполнения цилиндра топливно-воздушной смесью и очистки его от отработанных газов.

 

1. Впуск.

 

За время такта впуска поршень успевает разогнать смесь настолько, что скорость потока во впускном канале ГБЦ может достигать нескольких сотен километров в час. Такой поток обладает достаточно большим запасом кинетической энергии; он не остановится мгновенно по всей длине канала даже если клапан полностью закрыт.

Именно поэтому любые распределительные валы сконструированы так, что впускной клапан закрывается позже, чем поршень пройдет НМТ и открывается раньше, чем поршень достигнет ВМТ.

Это необходимо вот для чего. Пока поршень двигается вниз во время такта впуска, он создавая разряжение в цилиндре, всасывает горючую смесь. Достигнув НМТ, поршень останавливается и затем начинает двигаться вверх. Теперь. на первый взгляд, поршень должен выталкивать смесь обратно, если клапан открыт. Но, как писалось выше, скорость потока настолько велика, что даже когда поршень начинает двигаться вверх, смесь до определенного момента будет поступать в цилиндр за счет инерции потока. Когда давление, с которым движущийся вверх поршень выталкивает смесь превысит давление, создаваемое за счет движения потока по инерции, смесь начнет выбрасываться обратно в канал; именно в этот момент и должен закрыться клапан. Так, к примеру, распредвал двигателя ВАЗ-2101 обеспечивает закрытие впускного клапана с запаздыванием в 40 градусов после того, как коленчатый вал пройдет положение НМТ, а у распредвала М45 ОКБ «Двигатель» запаздывание закрытия клапана составляет 100 градусов.

Но даже когда впускной клапан закрыт, поток смеси в каналах ГБЦ и коллекторе не останавливается полностью; в начале впускного тракта смесь продолжает двигаться вперед, за счет чего перед впускным клапаном создается некоторое избыточное давление. Именно поэтому впускной клапан открывается не тогда, когда поршень достигнет ВМТ, а несколько ранее (у двигателя ВАЗ-2101 опережение открытия впускного клапана составляет 12 градусов).

Значимость инерции потока такова, что благодаря ее использованию, даже на атмосферных двигателях можно получить коэффициент наполнения больше 1 (например, на подготовленном двигателе ВАЗ-2106 был достигнут коэффициент наполнения 1,04 при 6000 об/мин. – А.В.Дмитриевский. Карбюраторы. Диагностирование, регулирование, ремонт. М: «Машиностроение», 1995 г. с.118)

 

2. Выпуск и перекрытие

 

Выпускной клапан открывается раньше, чем поршень успеет достичь НМТ но в тот момент, когда вся или практически вся смесь успела сгореть. Это сделано для максимально полной очистки цилиндра от отработанных газов.

В конце такта выпуска, когда поршень почти достиг ВМТ, давление отработанных газов, оставшихся в цилиндре, весьма невелико. Именно в этот момент вновь открывается впускной клапан, и рабочая смесь, еще не успев потерять весь запас своей энергии, начинает поступать в цилиндр, выталкивая остатки отработанных газов. У двигателя ВАЗ-2101 выпускной клапан открывается с опережением в 42 градуса.

Выпускной клапан закрывается, когда поршень пройдет ВМТ и коленчатый вал повернется на несколько (для ВАЗ-2101 – 10) градусов.

Положение распредвала, при котором одновременно открыты впускной и выпускной цилиндры, и называется перекрытием.

 

3. Терминология.

 

В русской технической речи приняты следующие термины, относящиеся к теме статьи.

 

Ширина фазы открытия или просто фаза.

Фаза, измеряемая в градусах поворота коленвала – это мера продолжительности открытия клапана, которая показывает, на какой угол повернется коленвал за то время, пока клапан будет открыт.

 

Подъем.

Подъем клапана в миллиметрах – это величина максимального хода клапана.

 

Перекрытие.

Термином «перекрытие» могут обозначаться две величины.

 

Перекрытие в градусах поворота коленвала показывает, насколько долго оба клапана находятся в открытом положении.

Перекрытие в миллиметрах – это величина открытия впускного и выпускного клапанов, когда поршень находится в ВМТ. Поршень проходит ВМТ как раз в тот момент, когда клапана находятся в перекрытии, поэтому величину перекрытия в миллиметрах необходимо знать для того, чтобы избежать удара поршня по клапанам.

 

Базовый диаметр («база») – диаметр круглой части кулачка. Если база вала соответствует показателю стандартного для данного двигателя, вал называют полнобазным. Если база уменьшена – неполнобазным.

 

Опережение открытия и запаздывание закрытия клапана, в градусах поворота коленчатого вала необходимо знать для сравнения валов со схожими характеристиками.

 

4. Выбор распредвала.

 

4.1. Фаза

 

Ни один распредвал не может обеспечить работу двигателя с максимальной эффективностью во всем диапазоне рабочих оборотов. Поэтому вал следует выбирать исходя из того режима работы, который будет основным.

 

Из написанного выше следует, что главным параметром, влияющим на работу распредвала, является скорость потока смеси во впускном тракте, которая определяется текущим расходом смеси. Расход смеси в свою очередь, зависит от объема двигателя и оборотов коленчатого вала (то есть, к примеру, двигатель малого объема на больших оборотах будет расходовать столько же смеси, сколько мотор большого объема при низкой частоте вращения коленвала).

 

Именно этими параметрами определяются предельно допустимые ширина фаз и продолжительность перекрытия. Если распредвал с широкой фазой поставить на малообъемный двигатель, или двигатель, работающий на низких оборотах, то из-за малой скорости, поток смеси не будет иметь запаса кинетической энергии, необходимого для получения эффектов, описанных в разделе 1. То есть, при большом запаздывании закрытия впускного клапана после НМТ, поршень будет выталкивать часть смеси во впускной тракт, что только ухудшит наполнение цилиндра.

В то же время двигатель с узкофазным валом будет проигрывать в мощности на высоких оборотах, поскольку впускной клапан, закрываясь слишком рано и открываясь слишком поздно, будет отсекать ту смесь, которая могла бы попасть в цилиндр.

 

В целом, тенденция такова, что чем шире фаза, тем более «верховым» будет двигатель. И наоборот, для работы на малых и средних оборотах распредвалы с излишне широкой фазой покажут худшие результаты.

 

Также как правило, чем шире фазы распредвала, тем шире и величина перекрытия.

 

4.2. Подъем клапана.

 

Увеличение подъема клапана позволяет улучшить наполнение цилиндра за счет увеличения проходного сечения впускного тракта. Величину подъема клапана ограничивают геометрические размеры деталей и опасность «зависания» клапана на высоких оборотах. Известно, что при работе на высоких (более 8 тысяч) оборотах, клапана многих двигателей не успевают полностью закрыться прежде, чем поршень достигнет ВМТ. Помимо опасности разрушения поршней и клапана, зависание вредит еще и тем, что при этом нарушается процесс газораспределения. При этом очевидно, что чем выше подъем клапана (т.е. тот путь, который ему приходиться совершать при открытии и закрытии), тем больше вероятность его зависания. Поэтому конструкторы распредвалов, предназначенных для работы на таких режимах, ограничивают подъем клапана. Так, например, распредвал знаменитого ВАЗ-2105 ВФТС имел подъем клапана всего 11,5 мм, хотя многие вазовские спортивные распредвалы выпускаются с подъемом клапана до 13 мм.

 

Резюмируя вышесказанное, можно составить несколько «типичных портретов» распределительных валов: «низовой» - вал для получения максимальной мощности на малых оборотах (небольшая фаза, иногда даже меньше фазы стандартного вала, при значительном подъеме); спортивный – вал для работы на очень высоких оборотах (максимально широкая фаза – более 320 градусов при умеренном подъеме) и «тюнинговый» - группа валов, рассчитанных на получение максимальной мощности в диапазоне 4-8 тысяч оборотов (большие величины подъема клапана при фазе 280-320 градусов).

 

5. Подготовка ГБЦ к установке распредвала.

 

Установка некоторых распредвалов требует просадки седел клапанов. Это необходимо во-первых для обеспечения правильного положения рокера относительно распредвала (относится к распределительным валам с уменьшенным базовым диамтером), а во-вторых, для разжатия клапанной пружины, витки которой могут смыкаться при величине подъема клапана более 12,0 мм.

Применительно к двигателям ВАЗ, величину просадки определяют по формуле:

B = 0.5 (30 – D) + 0.5…0.8, где

B – глубина просадки седла; D – базовый диаметр устанавливаемого вала.

 

FAQ

 

1. Каковы характеристики стандартного распредвала ВАЗ-2101?

 

- Двигатели ВАЗ-2101, -21011, -2103, и 2106 оснащаются одним и тем же распределительным валом, обладающим следующими характеристиками:

Ширина фаз впуска и выпуска – 232 градуса;

Перекрытие – 0,8 мм;

Запаздывание закрытия впускного клапана – 40 град.;

Опережение открытия выпускного клапана – 42 град.;

Подъем клапана составляет 9,728 мм (см. «Автомобили ВАЗ». М:Транспорт. 1974 г. стр.31), хотя в интернете иногда упоминается значение 9,5 мм.

 

2. У меня есть распредвал неизвестного происхождения. Как узнать его характеристики?

 

- С помощью подручного измерительного инструмента можно определить лишь подъем клапана. Для этого необходимо измерить минимальный и максимальный диаметры кулачка и умножить разницу на 1,55. Результат будет равен величине подъема клапана.

 

3. Как настроить тюнинговый или спортивный распредвал в гаражных условиях?

 

- Простейший способ настройки распредвала – установка его «по перекрытию». Когда поршень первого цилиндра будет находиться в ВМТ в конце такта выпуска, с помощью разрезной звезды или шестерни вал устанавливается так, чтобы оба клапана первого цилиндра были открыты на одинаковую величину (тарелки клапанов должны быть на одном уровне). Такое положение распредвала называется нулевым перекрытием; для большинства валов оно является близким к оптимальному.

 

4. На моем двигателе поршень в ВМТ упирается в клапана. Что делать?

 

- Необходимо нарезать цековки в днище поршня с таким расчетом, чтобы ход клапанов в положении ВМТ поршня был как минимум на 5 мм больше величины перекрытия в миллиметрах.

Змінено 19 грудня 2010 користувачем Интервент

[Alexhunter 1]

Отличная статья!

[lukas 3]

требую продолжения уже !!!

[Navstar 27]

Интервент,Напиши еше пожалуста про производителей, и какие валы подходят на стоковые ГБЦ без расточки каналов

[Интервент 1,219]

какие валы подходят на стоковые ГБЦ без расточки каналов

Баз расточки каналов станет любой вал. Эти две вещи не связаны друг с другом. Просто если и расточить и установить спортивный вал, эффект будет больше, чем от какой-то одной операции.

[Alexhunter 1]

Navstar, Наверно имел ввиду без просадки сёдел или постели.

[URICKI 11]

Статья видимо хорошая, но почитав начало раздел про кинетическую енергию газов улыбнулся, подумал, потом погуглил и понял что правильно усомнился. Плтом еще погуглил и понял что все не так просто.

Ну будем считать что в школьном курсе физики все изучалось на примере идеального газа, а физика газового потока в школе особо не изучалась, но по любому имеет свои особенности.

Змінено 24 грудня 2010 користувачем URICKI

[Интервент 1,219]

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы не зависит от её природы или какой то скорости, так как молекулы газа сталкиваются редко, а при столкновении разлетаются в разные стороны как бильярдные шары, то есть хаотически. А пропорциональна абсолютной температуре газа . В смысле давление газа это и есть его мера измерения кинетической энергии, а оно зависит только от числа молекул и температуры, умноженая на постоянную Больцмана.

URICKI, ты вообще не в ту сторону ушел

То, о чем шла речь в твоей цитате, это, грубо говоря, энергия молекулы внутри закрытой системы, т.е. внутри объема газа. Но это не имеет никакого отношения к данной теме, поскольку тут не рассматривается молекулярный уровень.

 

Речь идет о той энергии, которой обладает любое движущееся тело или поток жидкости или газа. Прямая аналогия - энергия, которой обладает ветер.

[URICKI 11]

Интервент, та я в принципе понял

[Emigrant 1]

Вопрос тоже возиник, можед не одному мне интиресно:

Расход топлива при спокойной городской езде на "тюнингованом" валу если возростет то сильно?!

 

Я вот просто думаю, КПД двгателя же растет, соответсвенно для производстав того-же крутящего моменат ему (двигателю) нужно меньше энергии, тоесть топлива.

[4ydo 3]

Emigrant, в -15 уложился в 10л расхода с прогревом на 1.6 пиленой голове и с горбатым валм, а летом без пиленой башки и с горбатым валом и ногда и в 12 не укладывался, настройка решает все)

[Бакс 256]

4ydo, так летом же и срани чаще мона вывалить, а зимой так не поездишь

[ribel 1]

Дмитрий $, эьт точно)

[Emigrant 1]

Дмитрий $, 100%

 

Вот пока лежал снег, расход в городе до 10л. как только стал просматриватся асфальт 12-15)))

[golden88 662]

Интервент, Статья очень хорошая. Ты можешь привести список валов на классические двигатели и эффект от них: на каких оборотах работают, про ХХ, ну и свое мнение. Ато я на лето думаю покупать РВ и глаза разбегаются. Я думаю все будут очень признательны!!!

[VETERAN 1,318]

Непоганий початок для обширної теми. Хотілося б ще довідатись про явище продувки циліндрів сумішшю і прив'язати до руху газів вплив каналів та резонатора з ресівером. Дуже зацікавило б, як змінюються характеристики двигуна із-за розтягування ланцюга і трохи довідкової інформації - порівняльні характеристики хоча б найчастіше вживаних валів.

[Бакс 256]

Собираю потихоньку инфу про рвалы, пока собрал мало, но что-то есть, если понадобится кому - стучите в аську

[golden88 662]

Дмитрий $,так выложи сюда.

[Интервент 1,219]

Вопрос тоже возиник, можед не одному мне интиресно:

Расход топлива при спокойной городской езде на "тюнингованом" валу если возростет то сильно?!

 

Я вот просто думаю, КПД двгателя же растет

Расход вырастет на 0,5...1,5 л в зависимости от конкретной ситуации.

 

КПД двигателя с заменой распредвала не увеличивается.

[Бакс 256]

КПД двигателя с заменой распредвала не увеличивается.

 

С этим не согласен. По курсу школьной физики да, но там ДВС рассматривался очень и очень поверхностно

[Интервент 1,219]

С этим не согласен. По курсу школьной физики да, но там ДВС рассматривался очень и очень поверхностно

КПД - это отношение затраченной энергии к полученной.

Установка нестандартных распредвалов делается с целью улучшения наполнения цилиндров, т.е. количество полученной энергии (в данном случае - мощность) увеличивается за счет повышения количества затраченной энергии (горючая смесь). Но их отношение остается постоянным.

[Бакс 256]

Интервент, но все же, получается, что прирост от рвала прямо пропорционален затраченному топливу, а как показывает практика это не так, ведь еще надо учитывать, что котел по другому продувается и высвобождается от газов.

[Интервент 1,219]

получается, что прирост от рвала прямо пропорционален затраченному топливу, а как показывает практика это не так

А так и есть.

 

То, что в городском режиме двигатель с нестандартным распредвалом может показать такой же расход, как сток, не показатель. Просто двигатель работает далеко не на полную нагрузку. В режиме максимальной мощности зависимость почти прямая.

 

Продувка и очищение цилиндра от газов - это также один из способов улучшить наполнение, т.е. затянуть больше смеси.

[Бакс 256]

В режиме максимальной мощности зависимость почти прямая.

но кривая мощности опять же смещается, так что за точку подсчета если брать старые параметры и брать кпд к примеру на тех же оборотах, что и с родным валом, то оно все же будет больше.

Змінено 27 грудня 2010 користувачем Дмитрий $
ы

[Интервент 1,219]

но кривая мощности опять же смещается, так что за точку подсчета если брать старые параметры и брать кпд к примеру на тех же оборотах, что и с родным валом, то оно все же будет больше.

Надо еще сравнить кривые расхода

 

 

Давай рассуждать логически.

Мощность двигателя определяется двумя основными параметрами: давлением, создаваемым газами, образующимися при сгорании топливо-воздушной смеси и потерями на самоврещение двигателя. Чем больше сгорает смеси, тем выше давление газов. Соответственно, есть два пути повышения мощности: загнать в цилиндры больше смеси и снизить потери внутри двигателя. Ко второму пункту замена распредвала никакого отношения не имеет, соответственно, остается лишь увеличение расхода.

 

Вообще, КПД большинства реальных тепловых машин (ДВС, артиллерийское орудие) равен 1/3 и существенно изменить ситуацию на практике невозможно.

Змінено 27 грудня 2010 користувачем Интервент