Распределительный вал — это вал , содержащий ряд заостренных кулачков для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное . Распределительные валы используются в поршневых двигателях (для управления впускными и выпускными клапанами), [1] [2] механически управляемых системах зажигания и ранних регуляторах скорости электродвигателей .
Распределительные валы в поршневых двигателях обычно изготавливаются из стали или чугуна, а форма кулачков существенно влияет на характеристики двигателя.
Отбойные молоты являются одним из ранних применений формы кулачка для преобразования вращательного движения, например, от водяного колеса, в возвратно-поступательное движение молота, используемого при ковке или для измельчения зерна. Доказательства этого существуют еще со времен династии Хань в Китае, и они были широко распространены в средневековый период.
После того, как в конце XVIII века была разработана ротационная версия парового двигателя, работа клапанного механизма обычно осуществлялась эксцентриком , который превращал вращение коленчатого вала в возвратно-поступательное движение клапанного механизма, обычно золотникового клапана . Распределительные валы, больше похожие на те, которые позже появились в двигателях внутреннего сгорания, использовались в некоторых паровых двигателях, чаще всего там, где пар высокого давления (например, вырабатываемый паровым котлом ) требовал использования тарельчатых клапанов или поршневых клапанов. Для примера см. паровой двигатель Uniflow и паровые автомобили Gardner-Serpollet , которые также включали осевое скольжение распределительного вала для достижения изменяемых фаз газораспределения.
Среди первых автомобилей, в которых использовались двигатели с одним верхним распредвалом, были Maudslay, разработанный Александром Крейгом и представленный в 1902 году [3] [4] [5] , и Marr Auto Car, разработанный уроженцем Мичигана Уолтером Лоренцо Марром в 1903 году. [6] [7]
В поршневых двигателях распределительный вал используется для управления впускными и выпускными клапанами . Распределительный вал состоит из цилиндрического стержня, проходящего по всей длине блока цилиндров с рядом кулачков (дисков с выступающими кулачковыми выступами ) по его длине, по одному на каждый клапан. Когда кулачок вращается, выступ давит на клапан (или промежуточный механизм), тем самым открывая его. Обычно пружина клапана используется для толкания клапана в противоположном направлении, тем самым закрывая клапан, как только кулачок вращается мимо самой высокой точки своего выступа. [8]
Распределительные валы изготавливаются из металла и обычно являются цельными, хотя иногда используются полые распределительные валы. [9] Материалы, используемые для распределительного вала, обычно следующие:
Во многих ранних двигателях внутреннего сгорания использовалась компоновка кулачка в блоке (например, компоновка с плоской головкой , IOE или T-образной головкой ), при которой распределительный вал располагался внутри блока двигателя около нижней части двигателя. Ранние двигатели с плоской головкой располагали клапаны в блоке, и кулачок воздействовал непосредственно на эти клапаны. В двигателе с верхним расположением клапанов, который появился позже, толкатель кулачка нажимает на толкатель , который передает движение в верхнюю часть двигателя, где коромысло открывает впускной/выпускной клапан. [13] Хотя в современных автомобильных двигателях он в значительной степени заменен компоновками SOHC и DOHC, старая компоновка с верхним расположением клапанов все еще используется во многих промышленных двигателях из-за ее меньшего размера и более низкой стоимости.
По мере увеличения частоты вращения двигателя в течение 20-го века все более распространенными стали двигатели с одним верхним распредвалом (SOHC), в которых распредвал расположен в головке цилиндров около верхней части двигателя, за которыми в последние годы последовали двигатели с двумя верхними распредвалами (DOHC). В двигателях OHC и DOHC распредвал управляет клапаном напрямую или через короткое коромысло. [13]
Расположение клапанного механизма определяется в соответствии с количеством распредвалов на ряд цилиндров. Поэтому двигатель V6 с четырьмя распредвалами — два распредвала на ряд цилиндров — обычно называют двигателем с двойным верхним распредвалом (хотя в разговорной речи их иногда называют двигателями с «четырьмя распредвалами»). [14]
Точный контроль положения и скорости распределительного вала имеет решающее значение для правильной работы двигателя. Распределительный вал обычно приводится в действие либо напрямую, через зубчатый резиновый «ремень ГРМ», либо через стальную роликовую «цепь ГРМ». Шестерни также иногда использовались для привода распределительного вала. [15] В некоторых конструкциях распределительный вал также приводит в действие распределитель , масляный насос , топливный насос и иногда насос гидроусилителя руля.
Альтернативные системы привода, использовавшиеся в прошлом, включают вертикальный вал с коническими шестернями на каждом конце (например, автомобили Peugeot и Mercedes Grand Prix до Первой мировой войны, а также мотоцикл Kawasaki W800 ) или тройной эксцентрик с шатунами (например, автомобиль Leyland Eight ).
В двухтактном двигателе , который использует распределительный вал, каждый клапан открывается один раз за каждый оборот коленчатого вала; в этих двигателях распределительный вал вращается с той же скоростью, что и коленчатый вал. В четырехтактном двигателе клапаны открываются только в два раза реже, поэтому распределительный вал настроен на вращение с половинной скоростью коленчатого вала.
Продолжительность работы распредвала определяет, как долго открыт впускной/выпускной клапан, поэтому это ключевой фактор в количестве мощности, которую производит двигатель. Более длительная продолжительность может увеличить мощность на высоких оборотах двигателя (RPM), однако это может сопровождаться компромиссом в виде меньшего крутящего момента, производимого на низких оборотах. [16] [17] [18]
Измерение продолжительности для распределительного вала зависит от величины подъема, выбранного в качестве начальной и конечной точки измерения. Значение подъема 0,050 дюйма (1,3 мм) часто используется в качестве стандартной процедуры измерения, поскольку оно считается наиболее репрезентативным для диапазона подъема, который определяет диапазон оборотов, в котором двигатель выдает пиковую мощность. [16] [18] Характеристики мощности и холостого хода распределительного вала с той же номинальной продолжительностью, которая была определена с использованием различных точек подъема (например, 0,006 или 0,002 дюйма), могут сильно отличаться от распределительного вала с продолжительностью, оцененной с использованием точек подъема 0,05 дюйма.
Вторичным эффектом увеличения продолжительности может быть увеличение перекрытия , которое определяет продолжительность времени, в течение которого открыты как впускной, так и выпускной клапаны. Именно перекрытие больше всего влияет на качество холостого хода, поскольку «продувка» впускного заряда немедленно обратно через выпускной клапан, которая происходит во время перекрытия, снижает эффективность двигателя и является наибольшей во время работы на низких оборотах. [16] [18] В целом, увеличение продолжительности распредвала обычно увеличивает перекрытие, если только угол разделения кулачков не увеличивается для компенсации.
Неспециалист может легко определить распредвал с большой продолжительностью работы, наблюдая за широкой поверхностью кулачка, где кулачок толкает клапан, открывая его на большое количество градусов поворота коленчатого вала. Это будет заметно больше, чем более заостренный выступ кулачка распредвала, который наблюдается на распредвалах с меньшей продолжительностью работы.
Подъем распредвала определяет расстояние между клапаном и седлом клапана (т.е. насколько открыт клапан). [19] Чем дальше клапан поднимается от своего седла, тем больше может быть обеспечен поток воздуха, тем самым увеличивая вырабатываемую мощность. Более высокий подъем клапана может иметь тот же эффект увеличения пиковой мощности, что и увеличение продолжительности, без недостатков, вызванных увеличенным перекрытием клапанов. Большинство двигателей с верхним расположением клапанов имеют коромысло больше единицы, поэтому расстояние, на которое открывается клапан ( подъем клапана ), больше, чем расстояние от пика кулачка распредвала до базовой окружности ( подъем распредвала ). [20]
Существует несколько факторов, которые ограничивают максимально возможную величину подъема для данного двигателя. Во-первых, увеличение подъема приближает клапаны к поршню, поэтому чрезмерный подъем может привести к удару и повреждению клапанов поршнем. [18] Во-вторых, увеличение подъема означает, что требуется более крутой профиль распределительного вала, что увеличивает усилия, необходимые для открытия клапана. [19] Связанная с этим проблема — это смещение клапана на высоких оборотах, когда натяжение пружины не обеспечивает достаточной силы, чтобы либо удерживать клапан в соответствии с кулачком в его вершине, либо предотвращать отскакивание клапана при его возвращении в седло клапана. [21] Это может быть результатом очень крутого подъема кулачка, [18] когда толкатель кулачка отделяется от кулачка (из-за того, что инерция клапанного механизма больше, чем закрывающая сила пружины клапана), оставляя клапан открытым дольше, чем предполагалось. Смещение клапана приводит к потере мощности на высоких оборотах и в экстремальных ситуациях может привести к погнутому клапану, если он ударяется поршнем. [20] [21]
Синхронизация (фазовый угол) распределительного вала относительно коленчатого вала может быть отрегулирована для смещения диапазона мощности двигателя в другой диапазон оборотов. Опережение распределительного вала (перемещение его вперед синхронизации коленчатого вала) увеличивает крутящий момент на низких оборотах, в то время как запаздывание распределительного вала (перемещение его после коленчатого вала) увеличивает мощность на высоких оборотах. [22] Требуемые изменения относительно невелики, часто порядка 5 градусов. [ необходима цитата ]
Современные двигатели с изменяемыми фазами газораспределения часто способны регулировать фазу газораспределения в соответствии с оборотами двигателя в любой момент времени. Это позволяет избежать вышеуказанного компромисса, необходимого при выборе фиксированной фазы газораспределения для использования как на высоких, так и на низких оборотах.
Угол разделения лепестков (LSA, также называемый углом центральной линии лепестков ) — это угол между центральной линией впускных лепестков и центральной линией выпускных лепестков. [23] Более высокий LSA уменьшает перекрытие, что улучшает качество холостого хода и вакуум на впуске, [22] однако использование более широкого LSA для компенсации чрезмерной продолжительности может снизить выходную мощность и крутящий момент. [20] В целом, оптимальный LSA для данного двигателя связан с отношением объема цилиндра к площади впускного клапана. [20]
Распределительные валы являются неотъемлемыми компонентами двигателей внутреннего сгорания, отвечающими за управление открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов двигателя. Когда распределительный вал вращается, его кулачки давят на клапаны, обеспечивая впуск воздуха и топлива и выпуск выхлопных газов. Этот синхронизированный процесс имеет решающее значение для оптимизации производительности двигателя, топливной экономичности и контроля выбросов. Без точно спроектированных распределительных валов плавная и эффективная работа двигателя будет поставлена под угрозу. [24]
Наиболее распространенные методы приведения в действие клапанов включают распределительные валы и пружины клапанов, однако в двигателях внутреннего сгорания иногда используются и альтернативные системы:
До появления твердотельной электроники контроллеры кулачкового вала использовались для управления скоростью электродвигателей . Кулачковый вал, приводимый в движение электродвигателем или пневматическим двигателем , использовался для последовательного управления контакторами . Таким образом, резисторы или переключатели ответвлений включались или выключались из цепи для изменения скорости главного двигателя. Эта система в основном использовалась в двигателях электропоездов (то есть электропоездах и локомотивах ). [27]
