Цилиндрический распредвал - Helical camshaft

А винтовой распредвал это тип механического регулируемое срабатывание клапана (VVA) система. В частности, это распредвал что позволяет изменять продолжительность открытия клапана в широком непрерывном бесступенчатом диапазоне, при этом вся добавленная продолжительность приходится на полный подъем клапана.

В этой статье «распределительный вал переменной продолжительности» относится к распределительному валу, конструкция которого предназначена для замены обычного распределительного вала в головке блока цилиндров и управления клапанами через обычные толкатели. Дополнительные квалификации:

что диапазон продолжительности бесступенчатый и непрерывный
весь добавленный диапазон находится при полном подъеме клапана
диапазон достаточно широк, чтобы обеспечить полный крутящий момент / мощность даже при чрезвычайно высоких оборотах
диапазон достаточно широк, чтобы позволить управлять нагрузкой двигателя с помощью позднее закрытие впускного клапана (LIVC)
скорость открытия / закрытия клапана, ускорения, рывков и т. д. находится в допустимых пределах при всех настройках продолжительности

Эти требования должны быть сделаны, поскольку за годы было много заявлений о чисто механических распределительных валах с регулируемой продолжительностью, но ни один из них не смог удовлетворить всем этим требованиям.^{[нужна цитата ]}

Несмотря на огромные усилия и расходы, которые тратятся как крупными организациями, так и частными лицами, такие механизмы распределительного вала, как Патент США 1527456 никогда не подвергались значительным улучшениям и не использовались основным автомобильным сообществом. Мнение многих инженеров (и других) о возможности разработки работоспособного распределительного вала переменной продолжительности после стольких усилий и стольких лет безуспешных попыток заключалось в том, что маловероятно, что это когда-либо удастся сделать, и это останется недостижимым «святым». Грааль."

Подробности

Спиральный распределительный вал очень отдаленно относится к очень многочисленному общему классу кулачков «коаксиальный вал с комбинированным профилем», что совсем недавно было представлено в работе Университета Клемсона (чьи кулачки в основном идентичны в принципе многим другим кулачкам, таким как Патент США 1527456 ).

Винтовой распределительный вал существенно отличается от других представителей этого общего класса тем, что имеет уникальное винтовой ход - комбинированное движение по окружности и оси двух профилей.

Продолжительность может быть увеличена до тех пор, пока закрывающая сторона рабочего выступа кулачка не достигнет открывающейся стороны - продолжительность 720 градусов. В типичном применении спиральный распределительный вал будет иметь непрерывный диапазон продолжительности от примерно средней для дорожного двигателя общего назначения (около 250 градусов, измеренных при нормальном клапанном зазоре) до примерно на 100 или 150 градусов выше этого.

Рисунок 1: Прототип косозубого распредвала. Распределительный вал находится в положении минимальной продолжительности.

фигура 2: Показан цилиндрический распредвал для впуска двигателя мотоцикла Suzuki GSX 250 со стандартным распределительным валом GSX для сравнения.

Клапан открывается с нормальной скоростью ускорения, рывка и т. Д., А затем удерживается в открытом состоянии при максимальном подъеме в течение всего необходимого времени до закрытия с нормальной скоростью.

Механизм

Винтовой распределительный вал влияет на изменение своей продолжительности в основном за счет поворота открывающей и закрывающей боковых сторон друг от друга, начиная с линии разделения на носовой части кулачка. По мере того, как боковые поверхности расходятся, носовая часть «заполняется» участком постоянного радиуса вокруг центра вращения распределительного вала. Равная угловая величина удаляется из основной окружности постоянного радиуса по мере увеличения постоянного радиуса при вершине.

Положение максимальной продолжительности

Позиция минимальной продолжительности. Между этими двумя крайностями существует бесступенчатый диапазон настроек продолжительности.

Для показанного распределительного вала минимальная продолжительность такая же, как у исходного распределительного вала, около 260 °, а максимальная продолжительность составляет 345 °.

Механизм представляет собой коаксиальный вал, в котором внешний вал несет основную часть выступа кулачка. Основная часть выступа кулачка имеет форму максимальной продолжительности.

Обычно длина тела главного лепестка составляет около 450 °. Лепесток очень длинный в осевом направлении, около 45 мм (1,8 дюйма), а его профиль состоит из обычных открывающихся и закрывающихся боковых сторон, разделенных постоянным радиусом около 170 ° над носовой частью выступа. В лепестке выточена спиральная прорезь, которая имеет угол спирали около 35 ° относительно оси вращения распределительного вала.

Ширина прорези равна угловой протяженности закрывающей стороны лепестка.^{[требуется разъяснение ]} Один край прорези проходит по диагонали на всю длину выступа с постоянным радиусом при вершине 170 градусов. Другой край шлифуется так, чтобы все было на уровне базового круга. Паз фактически заменяет закрывающуюся поверхность на основном корпусе выступа кулачка. Перемычка паза представляет собой сегмент выступа (толщиной около 10 мм), который притирается к профилю замыкающей стороны. Сегмент прикреплен к внутреннему валу. Один край паза имеет постоянный цилиндрический радиус, равный радиусу вершины выступа. Другой край имеет радиус основной окружности лепестка. Небольшая область вдоль каждого края замыкающего бокового сегмента имеет тот же постоянный радиус, что и край паза, к которому он примыкает.

Область постоянного радиуса при вершине обозначена белой малярной лентой на черном фоне.

Базовый круг постоянного радиуса закреплен липкой лентой на красном фоне.

Это означает, что сегмент может быть расположен в любом месте спирального паза, и для ведомого элемента всегда будет плавный переход к сегменту и обратно. Лепестковый сегмент прикреплен к внутреннему валу, поэтому любое относительное осевое движение влияет на изменение продолжительности открытия клапана. Толкатель расположен так, что он всегда остается на одной линии с сегментом, который остается неподвижным в осевом направлении.

Распределительный вал в положении минимальной продолжительности установлен в головке. Обратите внимание, что сегмент лепестка совмещен с толкателем. Маркировка черным фломастером примерно равна площади постоянного радиуса.

Распределительный вал находится в положении максимальной продолжительности. Обратите внимание, что сегмент остается выровненным с толкателем.

Поскольку паз имеет угол спирали около 35 °, любое осевое перемещение внешнего вала заставляет сегмент вращаться, обнажая большую или меньшую часть постоянного радиуса вершины и, таким образом, изменяя продолжительность.

Профиль

Базовый или кратчайший профиль винтовой системы распределительного вала почти идентичен профилю стандартного серийного двигателя. Винтовой профиль основания распредвала относится к общей группе форм кулачков, которые используются с толкателями поворотных кулачков, особенно с довольно высоким передаточным числом коромысел, около 2: 1.

Это семейство лепестковых профилей в первую очередь характеризуется коротким лепестковый подъем. Из-за этого мочка имеет очень закругленный (или «курносый») вид. Радиус кривизны носовой части (вокруг оси вращения распределительного вала) часто очень близок к постоянному радиусу на угловой протяженности около 20 градусов или около того. Винтовой распределительный вал требует, чтобы эта область была действительно постоянного радиуса. В некоторых случаях для удаления из носа требуется всего 0,25 мм (или меньше).^{[нужна цитата ]} При измерении показатели ускорения и рывков в носовой части немного выше стандартных.

Сравнение стандартного профиля выступов распредвала Suzuki с базовым профилем продолжительности винтового распредвала показывает, что они практически идентичны.

Мочковидный нос обычно может иметь прибавку около 150 ° для большей продолжительности. Геометрия подъемной поверхности остается неизменной. Из-за такой увеличенной продолжительности скорость подъема и общий подъем не должны быть такими экстремальными, как у гоночного кулачка, чтобы достичь максимальной максимальной мощности.

Приложения

«Традиционное» применение VVA (особенно переменной продолжительности) - это согласование оборотов двигателя с продолжительностью открытия клапана (это примерно то, что делает VTEC). Общая идея состоит в том, чтобы улучшить характеристики на высоких оборотах без связанных проблем, связанных с длительным «гоночным» кулачком, которые связаны с отсутствием более низкой мощности, грубого холостого хода и т. Д. Двигателям обычно требуется примерно линейное увеличение продолжительности по мере роста оборотов. Цель состоит в том, чтобы максимизировать крутящий момент в каждой точке допустимого диапазона оборотов. Это означает, что для винтового распределительного вала старая концепция максимальной мощности в диапазоне оборотов больше не применяется. При использовании винтового распределительного вала мощность продолжает расти до тех пор, пока не будет достигнут предел «дыхания» индукционной системы - или, что более вероятно, предел механической прочности компонентов двигателя не будет превышен.^{[нужна цитата ]} Типичный диапазон продолжительности вращения спирального распредвала от 250 до 350 + в основном означает, что достаточно надежный двигатель может сильно «тянуть» от примерно 1500 об / мин до, может быть, 20 000 + об / мин и при этом плавно работать на холостом ходу при 500 или 600 об / мин.^{[нужна цитата ]}

Никогда не существовало механической системы VVA, которая имела бы диапазон продолжительности при полном подъеме или способность делать что-либо подобное при высоких оборотах. «Бескулачковые» электромагнитные / гидравлические системы имеют такой же диапазон продолжительности / подъема, что и спиральный распределительный вал, но в настоящее время их способность к высоким оборотам строго ограничена.

На, возможно, более практическом уровне, динамометрические испытания дорожных двигателей показали, что даже при ограничении продолжительности работы винтового распредвала только примерно на 30 градусов, типичный дорожный двигатель может увеличить свою мощность на 25-30% при той же мощности об / мин. пик, как у стандартного кулачка - и поведение на холостом ходу и на низких оборотах совершенно нормально.

Применение спирального распределительного вала в качестве инструмента для экономии топлива, возможно, даже более важное применение, чем просто максимизация выходной мощности двигателя. Испытания прототипа цилиндрического распределительного вала на двигателе Suzuki GSX 250 cc показали заметное улучшение экономии топлива на холостых оборотах. Этот конкретный спиральный распределительный вал устроен так, что все увеличение продолжительности происходит на закрывающей стороне выступа впускного кулачка, а точка открытия впускного клапана остается стандартной для двигателя Suzuki GSX 250. Целью этого было проверить эффективность LIVC на расход топлива на холостом ходу.

Основная цель LIVC - снизить потери на всасывании. Эти насосные потери максимальны на холостом ходу, постепенно уменьшаясь по мере увеличения давления в коллекторе (и выходной мощности). Тестовый двигатель Suzuki стабильно показывает 40% улучшение экономии на холостом ходу по сравнению с тем же двигателем со стандартным распредвалом. Это может показаться немного маловероятным, но следует помнить, что, по оценкам, на холостом ходу около 80% топлива используется только для компенсации потерь на впускном насосе. Таким образом, любое снижение насосных потерь оказывает большое и прямое влияние на расход топлива на холостом ходу. По мере увеличения выходной мощности 40% быстро упадут, но для двигателя, обычно используемого для дороги / движения, общий показатель, вероятно, будет улучшаться на 10-20%. Удивительное улучшение экономии топлива на холостом ходу, возможно, относится только к карбюраторным двигателям, таким как Suzuki. То, как современный многоцилиндровый автомобильный двигатель с впрыском топлива будет вести себя с винтовым распределительным валом, еще не проверено. Кажется вероятным, что будет заметное улучшение в состоянии простоя, но, возможно, не на 40% - по крайней мере, без других модификаций. Suzuki простаивал на холостом ходу примерно на 55 или 60 дополнительных градусов позднего закрытия. То есть; около 120 градусов после нижней мертвой точки. Это означает, что общая требуемая продолжительность составляла около 320 градусов. Контроль нагрузки двигателя с помощью LIVC требует очень длительного времени. Обычно для управления нагрузкой с помощью LIVC требуется гораздо больше времени, чем для высоких оборотов, особенно для дорожных приложений общего назначения. Важно отметить, что все это очень длительное время открытия клапана при использовании для LIVC должно происходить при полном подъеме клапана. Подъем клапана должен быть максимальным, чтобы не препятствовать потоку в цилиндр и из него. Любое ограничение потока вызывает потери при перекачке, которые сводят на нет всю цель LIVC.

Обсудив использование спирального распределительного вала для увеличения мощности на высоких оборотах, а также для управления нагрузкой с помощью LIVC, следует пояснить, что нет причин, по которым обе функции нельзя использовать в одном двигателе. Реально принцип винтового распределительного вала может быть применен только к двигателям с двумя распредвалами. Для увеличения выходной мощности и впускной, и выпускной кулачки должны быть спирального распредвала. Увеличение продолжительности, необходимое для работы на высоких оборотах, должно быть примерно одинаковым как для впускных, так и для выпускных кулачков, и должно быть примерно симметричным по отношению к центральной линии профиля лепестка базовой длительности. Для работы только LIVC только впускной распределительный вал должен быть спиральным распредвалом. С двойным спиральным распределительным валом и подходящими органами управления двигатель может иметь как экстремальную выходную мощность, так и очень экономичный.

Также существует возможность еще большей топливной экономичности за счет чистой мощности. Спиральный распределительный вал и общий принцип LIVC также позволяют использовать очень высокую степень сжатия (CR). Идея здесь состоит в том, чтобы использовать очень высокий геометрический CR, но ограничить давление сжатия с помощью LIVC, чтобы избежать детонации. Степень расширения после сгорания все еще остается высокой. Именно степень расширения в основном преобразует тепловую энергию горящей топливно-воздушной смеси в полезную механическую энергию. Чем больше расширяющиеся горячие газы перемещают поршень, тем больше тепловой энергии преобразуется в полезную работу и тем выше термический КПД. Этот общий принцип обычно называют «Цикл Аткинсона ». (Строго говоря, цикл Аткинсона относится к двигателю с механически различающейся длиной хода сжатия и расширения. В современной практике давление сжатия ограничивается фиксированной величиной позднего закрытия впускного клапана - это имеет тот же эффект, что и разная длина хода) . С циклом Аткинсона дополнительная эффективность достигается за счет снижения общей мощности. Например, если бы двигатель имел геометрический коэффициент CR 18: 1, его пришлось бы ограничить примерно половиной его полного заряда топливно-воздушной смеси, чтобы избежать детонации. В результате при полной нагрузке двигатель будет использовать половину топлива, но мощность будет не вдвое, а примерно на две трети или три четверти от эквивалентного «нормального» двигателя - в конечном итоге будет увеличиваться тепловой КПД. Такой двигатель был бы экономичным, но все же имел бы потери на всасывании.

Винтовой распределительный вал позволит одновременно применять цикл Аткинсона и LIVC. Высокий CR позволил бы использовать еще большее количество LIVC на холостом ходу, тем самым дополнительно уменьшив насосные потери и повысив эффективность. Полученный двигатель будет иметь экономию топлива, очень похожую (или лучше) на дизельный - и он может работать на более дешевом сжиженном нефтяном газе. Он также будет легче по весу и дешевле в производстве, чем дизель. Автомобиль, оснащенный таким двигателем, представлялся бы гораздо более простой и дешевой альтернативой «гибридному» автомобилю. (Но гибрид, оснащенный двигателем Helical Camshaft / Atkinson / LIVC, был бы еще более экономичным).

Одной из последних «модных» областей исследования двигателей в настоящее время является двигатель с воспламенением от однородного заряда от сжатия (HCCI). Это равносильно работе двигателя с искровым зажиганием при небольшой или частичной нагрузке аналогично дизельному двигателю. HCCI требует, чтобы давление сжатия было очень быстро и точно изменено, чтобы более или менее контролируемое воспламенение от сжатия внезапно не превратилось в полномасштабную детонацию. Одна из главных сильных сторон спирального распределительного вала заключается в том, что он может делать именно это. Однако может показаться, что легко управляемый LIVC (с эффектами высокого CR Аткинсона или без них) - гораздо более простой способ управления двигателем, чем явно рискованный процесс HCCI - и сомнительно, что HCCI более экономичен, чем LIVC, и т. Д. .

Операция

Длительность спирального распредвала изменяется путем перемещения внешнего вала соосного устройства в продольном (или осевом) направлении. Угол наклона спирального распредвала, вероятно, всегда будет составлять от 30 до 35 градусов. Угол наклона спирали происходит от ширины используемого сегмента (обычно около 10 мм или 0,39 дюйма) и от 20-градусной области постоянного радиуса на вершине лепестка (обычно это составляет около 7 мм в окружности). Таким образом, диагональная линия разреза в этой области обычно должна проходить под углом примерно 35 градусов к оси распределительного вала. Это соответствует примерно 3,5 градуса (коленчатый вал) на миллиметр осевого перемещения. 30 мм (1,2 дюйма) перемещения дали бы 105 градусов изменения продолжительности. Хотя винтовой распределительный вал способен на гораздо большее, испытания показали, что этого количества достаточно для большинства целей.^{[нужна цитата ]}

Для перемещения вала в осевом направлении требуется небольшое усилие, поэтому существует вероятность того, что при использовании винтового распределительного вала только для управления нагрузкой LIVC осевое перемещение может быть напрямую и механически связано с педалью акселератора. Точно так же, если спиральный распределительный вал используется для увеличения мощности на высоких оборотах, можно использовать только простой автономный центробежный контроллер / привод.^{[нужна цитата ]}

Некоторые прототипы работают очень хорошо с использованием центробежных контроллеров / приводов. Если бы было желательно использовать винтовой распределительный вал для использования как LIVC, так и характеристик кулачка с высокими оборотами, вероятно, потребовались бы гидравлические приводы на каждом кулачке, чтобы можно было использовать LIVC. Каждому спиральному распределительному валу также потребуется механизм изменения фазы для использования на высоких оборотах. На низких оборотах и частичной нагрузке винтовой распределительный вал будет полностью LIVC. При высоких оборотах и полной нагрузке это все равно потребует большой продолжительности от винтового распределительного вала, но механизму изменения фазы необходимо будет изменить увеличение продолжительности «все на закрывающемся фланге» на более симметричное увеличение продолжительности. Все это, возможно, можно было бы сделать механически, но разумной компоновкой, вероятно, было бы устройство с внешним питанием с компьютером / микропроцессором для сортировки необходимых количеств LIVC и фазировки. Для работы HCCI картина менее ясна, но очень короткое (и, следовательно, очень быстрое) осевое перемещение, которое могло бы потребоваться для изменения давления сжатия, казалось бы, делает винтовой распределительный вал очень подходящим для этого процесса.

Практические соображения

Недостатком этой системы является ее стоимость. Несмотря на то, что это довольно простое устройство, оно требует очень точной винтовой обработки и очень тщательной сборки. Прототипы со спиральным распределительным валом обычно стоят около 1500 долларов за обработку и материалы.^{[нужна цитата ]} В производстве эта цифра сильно снизится. Стоимость спирального распределительного вала действительно высока только по сравнению с обычным распределительным валом, который, как сообщается, обходится производителям всего в несколько долларов за единицу.^{[нужна цитата ]} Этот факт делает винтовой распределительный вал более дорогим, чем он есть на самом деле. При этом стоимость винтового распределительного вала (и связанных с ним элементов управления и т. Д.), Вероятно, очень похожа (или даже дешевле), чем у других серийных систем VVA.^{[нужна цитата ]}

Различные прототипы никогда не^{[термин павлин ]} показали любые проблемы износа или предельной прочности (поломки) в ходе многочасовых испытаний (некоторые при очень высоких оборотах), которым они подверглись. Но поскольку в идеале распредвал серийного автомобиля должен служить в течение всего срока службы автомобиля, некоторые сомнения должны оставаться до тех пор, пока не будут проведены действительно длительные испытания. Однако есть признаки того, что, вероятно, не будет нерешаемых долгосрочных проблем.^{[нужна цитата ]}

Винтовой распределительный вал должен работать через толкатель, увеличивающий подъемную силу. Винтовой распределительный вал не мог использоваться с толкателем с перевернутым ковшом. Несмотря на то, что перевернутый ковш все еще используется, его все чаще заменяют как в дорожных, так и в гоночных двигателях поворотный толкатель «на палец». Наряду с необходимостью поворотного толкателя, если двигатель имеет четыре клапана на цилиндр, толкатель должен быть раздвоен так, чтобы один кулачок винтового распределительного вала управлял двумя клапанами. Это скорее характеристика, чем проблема. Если требуется действительно широкий диапазон продолжительности, поскольку осевое пространство несколько ограничено вдоль распределительного вала, обычно можно найти только место для одного выступа винтового распредвала (и его рабочего пространства).

Спиральный распределительный вал не может работать очень быстро или с переменным подъемом.^{[согласно кому? ]}. Многие компании и производители^{[ВОЗ? ]} сделали вид, что это своего рода достоинство, что их конкретная система VVA производит очень короткие промежутки времени и связанный с этим низкий подъем клапана, поскольку у них действительно не было выбора.

Нет никакой физической причины, по которой спиральный распредвал не мог быть «ведущим» кулачком в системе качающихся кулачков типа Valvetronic. (Но это было бы довольно сложно, и часть конструкции Valvetronic ограничила бы возможности высокого числа оборотов спирального распредвала). В результате получился бы почти невероятный набор возможных комбинаций продолжительности и подъемной силы. Это может быть очень полезно в исследованиях. Однако в реальном мире, вероятно, 95% комбинаций не имеют действительно полезного отношения к четырехтактному циклу. Это, конечно, в некоторой степени относится и к спиральному распределительному валу. Трудно представить себе использование более 400 градусов, а у винтового распредвала потенциально есть еще около 300 градусов.

Графики подъемной силы, скорости, ускорения и рывка.

Стандартный кулачок Suzuki GSX 250.
Винтовой кулачок Suzuki - минимальная продолжительность.
Винтовой кулачок Suzuki - средний диапазон.
Винтовой кулачок Suzuki - настройка максимальной продолжительности.