Диаграмма фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания

Выделение механической энергии в поршневом двигателе неразрывно связано с циклами горения топлива в рабочем цилиндре. Как известно процесс горения зависит от взаимодействия топлива с кислородом, в составе поступающего воздуха, а также от эффективного отвода продуктов горения из рабочих цилиндров для возобновления следующего рабочего цикла. Поэтому, в конструкции двигателя важна правильная организация газообмена, синхронно, и в соответствии с работой кривошипно-шатунного механизма и цилиндров силовой установки.

Круговая диаграмма фаз газораспределения

Фазы газообмена двигателя

Вне зависимости от типа силовой установки внутреннего сгорания, где двухтактный двигатель совершает рабочий цикл за один оборот, а четырёхтактный за два полных оборота коленчатого вала — газообмен  силового агрегата имеет две основные две фазы -подача воздуха и выхлоп отработанных газов.

Под подачей понимают наполнение цилиндра воздухом для обеспечения циклического сгорания смешанного с воздухом топлива, где в карбюраторном типе смесеобразования горючее поступает в цилиндр в смешанном с воздухом состоянии, а в дизельных системах и системах типа common rail воздух с топливом  в цилиндр поступает раздельно. При этом исходя из оснащённости двигателя подача может осуществляться как естественным всасыванием поршневой группы, так и принудительным наддувом.

Под выхлопом понимают выведение отработанных газов горения из полости цилиндра силовой установки.

Газообмен четырёхтактного двигателя

В полном рабочем цикле поршневого четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания в соответствии с рабочими тактами установки фазы газообмена расположены в следующем порядке:

• Всасывание –  наполнение цилиндра воздухом движением поршня вниз
• Сжатие – движением поршня вверх
• Воспламенение  топливной смеси – рабочее движение поршня вниз
• Выхлоп – выход выхлопных газов движением поршня вверх

Момент включения и выход из работы каждой отдельной фазы, определяется при конструировании двигателя опытным путём и выражается в градусах поворота коленчатого вала. Таким образом определяют оптимальный момент начала и конец каждой фазы газообмена, обеспечивающий максимальный КПД и развитие расчетной мощности проектируемого двигателя.

Кулачковый распределительный вал газораспределительного механизма четырехтактного двигателя

Профиль кулачка распределительного вала

Конкретно в конструкции четырёхтактного двигателя моменты начала и конца, а также продолжительность каждой фазы зависят от угла расположения и формы профиля кулачков распределительного вала, взаимодействующего через механизм привода с впускными и выпускными клапанами по отношению к положению коленчатого вала.

Принципиальная схема конструкции газораспределительного механизма четырёхтактного двигателя

Газообмен двухтактного двигателя

В двухтактном агрегате, не имеющего полноценного клапанного механизма, расположение фаз зависит от высоты расположения впускных и выпускных окон рабочего цилиндра, так как функцию клапанного механизма выполняет, в таком типе двигателя, выполняет сама цилиндропоршневая пара.

Двигатели данного типа имеют упрощённую схему газообмена, где за один оборот коленчатого вала выполняется полный цикл газообмена.

Схема двухтактного двигателя

Сжатие топливной смеси в цилиндре происходит с одновременным всасыванием в подпоршневую полость горючей смеси движением поршня вверх. С движением поршня вниз осуществляется одновременно рабочий ход и продувка цилиндра от выхлопных газов. При этом одновременно из подпоршневой полости горючая смесь под давлением подаётся перепускной канал, из которого при продолжении вращения коленчатого вала поступает в надпоршневую полость для выполнения следующего рабочего цикла.

Что отражает круговая диаграмма газообмена

Наиболее удобно и визуально понятно процесс газообмена двигателя отражают в виде круговой диаграммы, которая показывает ось вращения коленчатого вала с градусами начала и конца каждой фазы. Такая диаграмма отражает и даёт представление о порядке работы газораспределительного механизма в соответствии с работой цилиндра двигателя. То есть, диаграмма дает представление при каком положении коленчатого вала и соответственно поршня по отношению к верхней и нижней мертвым точкам своего хода в цилиндре открываются и закрываются впускные и выпускные клапана газораспределения.

Круговая диаграмма фаз газораспределения

Чисто для примера рассмотрим диаграмму газообмена карбюраторного двигателя грузового автомобиля ГАЗ 51.

Диаграмма газораспределения ГАЗ 51

Диаграмма показывает, что фаза впуска, то есть начало открытия впускных клапанов, происходит не доходя поршнем до В.М.Т. в 9° положения коленчатого вала.

Закрытие впускных клапанов, а с ними и конец фазы впуска, происходит после прохождения поршнем Н.М.Т. в 51° поворота коленчатого вала.

В свою очередь фаза выхлопа, при котором открываются выпускные клапана, начинается при 47° положения коленчатого вала до подхода поршнем к Н.М.Т.

Заканчивается фаза выхлопа, при котором выпускные клапана закрываются, происходит с поворотом коленчатого вала 13° после прохождения поршнем В.М.Т.

В остальных секторах при фазах сжатия и рабочего хода все клапана газораспределения находятся в закрытом положении.

Факторы влияния на формирование фаз газораспределения

Сектора действия фаз газораспределения с углами начала и конца своей работы в рабочем цикле цилиндра двигателя в большей части эксплуатируемых силовых агрегатов являются неизменными на всех режимах работы в конструкции силовой установки и не каким образом не регулируются. Настройке или автоматической регулировке в процессе работы силовой установки могут подвергаться только момент впрыска топлива или подачи искры в камеру сгорания, что позволяет регулировать не столько рамки фаз газообмена, а сам процесс горения топлива в цилиндре.

С целью повысить экономичность и показатель развития мощности существуют передовые разработки конструкций газораспределительных механизмов в составе двигателей с автоматически регулируемыми фазами газообмена, но широкого применения таких соловых агрегатов пока не происходит в виду их сложного и дорогого изготовления.

Вместе с выше изложенной информацией нужно понимать, что углы открытия и закрытия клапанов, а сними и продолжительность работы фаз обеспечивают оптимальный газообмен в работе и зависят от проектных технических показателей силового агрегата и его конструктивных особенностей.

Так, на углы открытия клапанов в диаграмме оси вращения коленчатого вала будут влиять:

• динамические показатели мотора с конструктивными особенностями его кривошипно-шатунного механизма
• диаметр тарелок клапанов и объём цилиндров
• октановое число и тип топлива
• тип смесеобразования
• скорость наполнения и плотность поступающего воздуха в цилиндры, где при использовании наддува и предварительного охлаждения воздуха данный показатель будет отличатся в сравнении с естественным всасыванием.

Сравнительные примеры диаграмм фаз газораспределения двигателей мотоциклов

Метки в приводе газораспределения двигателя для правильного установления фаз газораспределения

Конструктивно для соблюдения порядка работы газораспределительного механизма с кривошипно-шатунным механизмом и соответственно циклами работы цилиндров при сборке двигателя положение коленчатого и распределительного валов должны быть установлены правильно. Стандартно в правилах сборки того или иного двигателя указаны метки на торцах самих валов или элементах их привода, которые должны совпадать при установке деталей в блок силового агрегата.