Распределительный вал представляет собой вал , который содержит ряд заостренных кулачков для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение . Распределительные валы используются в поршневых двигателях (для управления впускными и выпускными клапанами), [1] [2] системах зажигания с механическим управлением и ранних регуляторах скорости электродвигателей .
Распределительные валы в поршневых двигателях обычно изготавливаются из стали или чугуна, и форма кулачков сильно влияет на характеристики двигателя.
Отбойные молотки - это одно из первых применений 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 во времена династии Хань в Китае, и они были широко распространены в средневековый период.
После того, как в конце 18 века была разработана ротационная версия парового двигателя, клапанный механизм обычно приводился в действие эксцентриком , который превращал вращение коленчатого вала в возвратно-поступательное движение клапанного механизма, обычно золотникового клапана . Распредвалы, больше похожие на те, что 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 или поршневых клапанов. Примеры см. в паровом двигателе Uniflow и паровых машинах Гарднера-Серполлета , которые также включали осевое смещение распределительного вала для достижения изменения 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 длине ряда цилиндров , с несколькими кулачками (дисками с выступающими кулачками ) вдоль его длины, по одному на каждый клапан. Когда кулачок вращается, выступ давит на клапан (или промежуточный механизм), открывая его. Обычно пружина клапана используется для толкания клапана в противоположном направлении, таким образом закрывая клапан, как только кулачок проходит самую высокую точку своего выступа. [8]
Распредвалы изготавливаются из металла и обычно цельные, хотя иногда используются полые распредвалы. [9] Для изготовления распределительного вала обычно используются следующие материалы:
Многие ранние двигатели внутреннего сгорания использовали компоновку кулачка в блоке (например, схемы с плоской головкой , IOE или Т-образной головкой ), при этом распределительный вал расположен внутри блока двигателя рядом с нижней частью двигателя. Ранние двигатели с плоской головкой определяют расположение клапанов в блоке, и кулачок воздействует непосредственно на эти клапаны. В двигателе с верхним расположением клапанов, который появился позже, толкатель кулачка давит на толкатель , который передает движение к верхней части двигателя, где коромысло открывает впускной/выпускной клапан. [13] Несмотря на то, что в современных автомобильных двигателях в значительной степени заменены схемами SOHC и DOHC, более старая схема 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 двигатели с одним верхним распредвалом (SOHC), в которых распределительный вал расположен внутри головки блока цилиндров в верхней части двигателя, становились все более распространенными, а в последние годы за ними последовали двигатели с двойным верхним распредвалом (DOHC). . В двигателях OHC и DOHC распределительный вал управляет клапаном напрямую или через короткий коромысл. [13]
Расположение клапанного механизма определяется количеством распределительных валов на ряд цилиндров. Поэтому двигатель V6 с четырьмя распределительными валами - по два распредвала на ряд цилиндров - обычно называют двигателем с двойным верхним распредвалом (хотя в просторечии 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 либо напрямую, через зубчатый резиновый «ремень ГРМ», либо через стальную роликовую «цепь ГРМ». Для привода распределительного вала также иногда использовались шестерни. [15] В некоторых конструкциях распределительный вал также приводит в движение распределитель , масляный насос , топливный насос и иногда насос гидроусилителя рулевого управления.
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 и мотоцикл Kawasaki W800 ) или тройной эксцентрик с шатунами (например, автомобиль Leyland Eight ). .
В двухтактном двигателе с распределительным валом каждый клапан открывается один раз при каждом обороте коленчатого вала; в этих двигателях распределительный вал вращается с той же скоростью, что и коленчатый вал. В четырехтактном двигателе клапаны открываются вдвое реже, поэтому распределительный вал настроен на вращение в два раза медленнее коленчатого вала.
Продолжительность работы распределительного вала определяет, как долго впускной/выпускной клапан открыт, поэтому это ключевой фактор в количестве мощности, вырабатываемой двигателем. Более длительная продолжительность может увеличить мощность на высоких оборотах двигателя (об/мин), однако это может привести к уменьшению крутящего момента, создаваемого на низких оборотах. [16] [17] [18]
На измерение продолжительности распределительного вала влияет величина подъема, выбранная 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, определяющего диапазон оборотов в минуту, в котором двигатель развивает пиковую мощность. [16] [18] Характеристики мощности и холостого хода распределительного вала с одинаковым номинальным сроком службы, который был определен с использованием различных точек подъема (например, 0,006 или 0,002 дюйма), могут сильно отличаться от характеристик распределительного вала с номинальным сроком службы, рассчитанным с использованием точек подъема 0,05 дюйма.
Вторичным эффектом увеличения продолжительности может быть увеличение перекрытия , которое определяет продолжительность времени, в течение которого как впускной, так и выпускной клапаны открыты. Именно перекрытие больше всего влияет на качество холостого хода, поскольку «прорыв» впускного заряда сразу же обратно через выпускной клапан, который происходит во время перекрытия, снижает эффективность двигателя и достигает наибольшего значения при работе на низких оборотах. [16] [18] Как правило, увеличение продолжительности работы распределительного вала обычно приводит к увеличению перекрытия, если только угол разделения кулачков не увеличивается для компенсации.
Непрофессионал может легко заметить длительный срок службы распределительного вала, наблюдая за широкой поверхностью кулачка, где кулачок толкает клапан в открытое положение на большое количество градусов поворота коленчатого вала. Это будет заметно больше, чем более заостренный выступ кулачка распределительного вала, который наблюдается на распределительных валах с меньшей продолжительностью.
Подъем распределительного вала определяет расстояние между клапаном и седлом клапана (т.е. насколько далеко открыт клапан). [19] Чем дальше клапан поднимается от седла, тем больший поток воздуха может быть обеспечен, тем самым увеличивая производимую мощность. Более высокий подъем клапана может иметь тот же эффект увеличения пиковой мощности, что и увеличение продолжительности, без недостатков, вызванных увеличением перекрытия клапанов. Большинство двигателей с верхним расположением клапанов имеют передаточное число коромысла больше единицы, поэтому расстояние открытия клапана ( подъем клапана ) больше, чем расстояние от вершины кулачка распределительного вала до базовой окружности ( подъем распределительного вала ). [20]
Существует несколько факторов, которые ограничивают максимально возможную подъемную силу для данного двигателя. Во-первых, увеличение подъема приближает клапаны к поршню, поэтому чрезмерный подъем может привести к удару поршня и повреждению клапанов. [18] Во-вторых, увеличенный подъем означает, что требуется более крутой профиль распределительного вала, что увеличивает усилия, необходимые для открытия клапана. [19] Связанной с этим проблемой является плавание клапана на высоких оборотах, когда натяжение пружины не обеспечивает достаточной силы, чтобы либо удерживать клапан после кулачка в его вершине, либо предотвращать подпрыгивание клапана при 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 превышает силу закрытия пружины клапана), оставляя клапан открыт дольше, чем предполагалось. Плавание клапана приводит к потере мощности на высоких оборотах, а в экстремальных ситуациях может привести к изгибу клапана, если в него ударит поршень. [20] [21]
Синхронизацию (фазовый угол) распределительного вала относительно коленчатого вала можно регулировать для переключения диапазона мощности двигателя в другой диапазон оборотов. Опережение распределительного вала (перемещение его вперед перед коленчатым валом) увеличивает крутящий момент на низких оборотах, а запаздывание распределительного вала (перемещение его после коленчатого вала) увеличивает мощность на высоких оборотах. [22] Требуемые изменения относительно невелики, часто порядка 5 градусов. [ нужна цитата ]
Современные двигатели с регулируемыми фазами газораспределения часто могут регулировать фазы газораспределения в соответствии с частотой вращения двигателя в любой момент времени. Это позволяет избежать вышеупомянутого компромисса, необходимого при выборе фиксированного времени кулачка для использования как на высоких, так и на низких оборотах.
Угол разделения лепестков (LSA, также называемый углом осевой линии лепестков ) — это угол между осевой линией впускных лепестков и осевой 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 общем, оптимальная LSA для данного двигателя связана с соотношением 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 прижимаются к клапанам, обеспечивая впуск воздуха и топлива и выпуск выхлопных газов. Этот синхронизированный процесс имеет решающее значение для оптимизации производительности двигателя, топливной эффективности и контроля выбросов. Без точно спроектированных распределительных валов плавная и эффективная работа двигателя будет нарушена. [24]
Наиболее распространенные методы приведения в действие клапанов включают распределительные валы и клапанные пружины, однако в двигателях внутреннего сгорания иногда используются альтернативные системы:
До появления полупроводниковой электроники контроллеры распределительного вала использовались для управления скоростью электродвигателей . Для последовательного управления контакторами использовался распределительный вал, приводимый в движение электродвигателем или пневмодвигателем . Таким образом, резисторы или переключатели ответвлений включались или выключались из цепи, чтобы изменять скорость главного двигателя. Эта система в основном использовалась в двигателях электропоездов (то есть электропоездов и локомотивов ). [27]
