8.8. Характеристика крутящего момента двигателя

Для автомобильного двигателя желательно большое значение крутящего момента при низких частотах вращения. При увеличении крутящего момента с уменьшающейся одновременно частотой вращения двигателя в случае движения автомобиля на подъеме его скорость падает, но при этом нет необходимости переключать коробку передач на более низкую ступень. Это удобно для водителя и такой характеристике крутящего момента всегда отдают предпочтение.

Зависимость крутящего момента двигателя от его частоты вращения в значительной степени обусловлена фазами газораспределения, т. е. моментами открывания и закрывания клапанов. Для получения хорошего наполнения цилиндров при низких частотах вращения двигателя не требуется большого запаздывания закрывания впускного клапана после НМТ, поскольку при низких скоростях воздуха, проходящего через клапанную щель в этих условиях, цилиндр хорошо наполняется. Поэтому впускной клапан на низких частотах вращения двигателя желательно закрывать сразу после НМТ.

В период хода расширения для достижения большого значения крутящего момента целесообразно, чтобы давление в цилиндре действовало на поршень как можно дольше и выпускной клапан открывался по возможности ближе к НМТ. При низких частотах вращения двигателя малой продолжительности открытия клапана достаточно для снижения давления газов в цилиндре прежде, чем поршень дойдет до НМТ, и на такте выпуска при движении поршня к ВМТ на него уже не будет действовать большое противодавление отработавших газов.

При высоких частотах вращения время открытия клапана сокращается и поэтому для хорошего наполнения цилиндра и хорошей его очистки клапаны должны быть открыты в течение большего угла поворота коленчатого вала. Таким образом, впускной клапан должен закрываться позднее, а выпускной - открываться раньше относительно НМТ. Такие фазы газораспределения, естественно, невыгодны при низких частотах вращения, так как в этом случае перед закрытием впускного клапана происходит выталкивание части воздуха, поступившего в цилиндр ранее, а выпускной клапан открывается слишком рано и из цилиндра отводятся газы с относительно высоким давлением, т. е. с не полностью использованной энергией.

Для того чтобы двигатель имел малую массу и размеры, необходимо повышать его рабочие частоты вращения. Тем самым к двигателю предъявляются требования противоположного характера и из-за этого возникает необходимость поиска компромиссного решения.

Выгодно было бы регулировать фазы газораспределения в зависимости от частоты вращения. Однако такие устройства слишком сложны и дороги, до сих пор их не удалось реализовать на практике, за исключением специальных одноцилиндровых двигателей, служащих для исследовательских целей и опытно-конструкторских работ. При использовании такого устройства желательно также изменение величин хода клапанов, чтобы при низких частотах вращения скорость входа воздуха в цилиндр была достаточной для интенсивной турбулизации заряда.

В качестве примера такое автоматическое устройство для регулирования фаз газораспределения, разработанное инж. Торанци на фирме "Фиат", показано на рис. 73. Устройство подобно обычному газораспределительному механизму с одноплечим рычагом (рокером) между кулачком верхнего распределительного вала и клапаном. Отличие заключается в том, что кулачок не вращается, а колеблется. Специальный кривошипный механизм поворачивает кулачок до положения, соответствующего наибольшему открытию клапана, а затем поворотом в противоположную сторону обеспечивается его закрывание. Ось одноплечих рычагов можно перемещать относительно оси распределительного вала посредством плунжера с гидроприводом. Форма рычага выполнена таким образом (см. рис. 74), что при контакте рычага с кулачком гидравлический плунжер может перемещать ось рычагов относительно оси кулачка без открытия клапана. С помощью этого перемещения изменяется момент открытия клапана и его ход.

Рис. 73. Газораспределительный механизм с устройством регулирования подъема клапана и фаз газораспределения на ходу двигателя

Рис. 74. Устройства регулирования подъема клапана и фаз газораспределения: 0-5 - положения оси рычагов, соответствующие различным фазам газораспределения

Ось рычагов перемещается автоматически в зависимости от частоты вращения нагрузки и двигателя. Привод плунжера осуществляется давлением масла, которое изменяется пропорционально частоте вращения двигателя. Регулирование в зависимости от нагрузки двигателя производится по давлению в его впускной трубе. Во время испытаний на двигателях фирмы "Фиат" было достигнуто увеличение крутящего момента при низких частотах вращения на 30 %, а при номинальной частоте вращения- на 5%. Для пяти положений оси рычагов (рис. 74) было получено пять различных значений фаз газораспределения, приведенных в табл. 7.

Таблица 7. Фазы газораспределения при различных положениях оси рычагов клапанов

Существуют другие способы привода клапанов, более пригодные для автоматического регулирования, в частности, гидравлический привод. Открывание и закрывание клапанов должно быть точно рассчитано во времени, поэтому, если клапан закрывается с помощью пружины, то необходимо точное управление ею, аналогичное описанному выше. Это означает, что изменения времени открывания клапана и его хода можно достичь управлением подачей масла от аккумулятора давления через специальный клапан.

Открывание клапана только управлением временем подачи масла под давлением из аккумулятора не соответствует требованиям, так как простым закрыванием подачи масла из-за влияния инерции клапана нельзя достичь одинакового закона движения клапана при различных частотах вращения двигателя. Время закрывания клапана в этом случае зависело бы только от усилия клапанной пружины и от площади отверстия для подвода масла, что не позволило бы снизить скорость клапана перед его контактом с седлом. Если представить при этом трубопроводы от каждого плунжера для гидропривода клапана к распределительному устройству или насосу, опасность разгерметизации этих трубопроводов, загустевание масла при низких температурах и т. д., то трудности такого конструкторского решения привода клапанов становятся понятными.

Исследуются возможности электромагнитного способа открывания и закрывания клапанов. Уже созданы устройства, которые открывают клапан в соответствии с точно заданным ходом за 0,005 с. При этом также необходимо управлять скоростью при посадке клапана на седло, причем время открывания не должно зависеть от частоты вращения двигателя. Электрические системы управления клапанами также известны, однако в широком масштабе они не могут быть Использованы ввиду высокой стоимости их изготовления и ряда конструктивных недостатков, прежде всего больших размеров. Однако с развитием электронной техники эти проблемы могут быть решены, что позволит применить более простые решения и в приводах от двигателя к ведущим колесам.