”Продолжительность фазы” и ”Подъем клапана” – термины, которые наиболее часто употребляются при описании работы распределительного вала, забывая о других, не менее важных факторах.
Использование разных размерностей, при указании фазы распредвала, вносит некоторую путаницу. При разговоре о продолжительности фазы важно иметь в виду, что она измеряется от какого момента достижения “контрольного подъема” (например 0.1мм или 1.27 мм) отрыва клапана от седла и до какого момента посадки клапана на седло.
Продолжительность фазы. Под продолжительностью фазы понимают количество градусов поворота коленчатого вала, при котором клапан действительно открыт. Хотя в четырехтактном двигателе распределительный вал вращается в два раза медленнее, чем коленчатый вал, продолжительность фазы все-таки принято измерять в градусах поворота коленчатого вала.
Профиль кулачка распределительного вала отвечает за закон движения клапана. Расчет профиля напоминает расчет полета мотоциклиста с использованием трамплина (рампы)
Форма трамплина — это Flank (профиль подъема и опускания кулачка).
Для сглаживания резкого набора высоты мотоциклиста трамплин начинается с наезда (рампы). Также и при проектировании профиля кулачка обязательно используются рампы (участки сбега и набега), что бы избежать ударов и отскоков.
Фланги (Flank) — зоны на кулачке, где клапана открываются и закрываются с максимальной скоростью.
Вершина кулачка (Nose) – клапан замедляется до полной остановки при открытии и медленно начинает закрываться, перемещаясь через вершину кулачка.
Основной профиль (Main Event) – включает в себя фланги и вершину кулачка.
Рампы – участки сбега кулачков используются для плавного перехода от главного профиля (Main Event) к базовой окружности (Base Circle)
С основной терминологией разобрались, это очень важно. Необходимо разговаривать на ”одном языке”. Поясню на примере: сейчас в Москве на улице -3 градуса. Если спросить у Американца температуру, то он ответит 25, а физик 269. И все будут правы, просто я имел ввиду минус 3 градуса (цельсия), Американец 25 (фаренгейта), а физик 269 (кельвина).
Полная фаза открытия (seat-to-seat, advertised duration) – если не уточнить от какого момента достижения “контрольного подъема” указана фаза, в таком случае эта информация нам ничего не говорит. Даже само название об этом говорит. Advertised переводится с английского – рекламируемая. Во времена войны между производителями распредвалов seat-to-seat timing метод стал популярным у производителей, как один из путей продвижения, рекламирования своей продукции. Поэтому этот метод часто называется advertised duration или по русски – рекламируемая полная фаза. Многие знают такое правило, что больше значит лучше, вот они и дали вам эти значения больше и все.
В большинстве случаев ”Порядочные производители” указывая полную фазу, без акцентирования от какого момента эта фаза исчисляется, указывают значения основного профиля (Main Event), который включает в себя фланги и вершину кулачка и не учитывает значения рампы.
Почему без указания рамп? Здесь все просто, у разных производителей разные подходы к проектированию заходов (рамп). Значения варьируются от 10 до более, чем 50 градусов на сторону, и в том числе для распределительных валов рассчитанных работать с гидротолкателями.
Давайте посмотрим на реальный пример профиля (под гидрaтолкатели), который даже используют на гоночных автомобилях.
На стороне открытия рампа более 20 градусов, а на стороне закрытия клапана более 50 градусов.
Также есть и другие способы описания полной фазы с использованием международных стандартов ( SAE Standard J-604 5.1). В данном случае для распредвалов под гидрaтолкатели указывается фаза от @0.004 дюйма (0.1 мм). Под жесткий вид толкатели обычно указывается полная фаза от @0 .006 или @0.008 дюйма (0.15 – 0.2 мм).
Advertised duration – данный метод внес много путаницы. Точную фазу очень сложно определить, к примеру, разница между гидра и жестким толкателем составляет 10-50 градусов. Поэтому был введен новый способ обозначения 0.05 inch (@1.27 мм или в Европе @1 мм). Многие сразу заметили, что этот метод более удобный и точный. Если возьмем типичный уличный (4 клапана на цилиндр) двигатель со степенью сжатия 10.5, с тюнинговым впуском и выпуском, то наиболее подходящих распределительный вал должен иметь фазу при @0.05 in (1.27 мм) — 215-230 градусов с гидра компенсаторами.
Какой способ лучше, это вам решать. В этой статье я постараюсь разъяснить некоторые нюансы, которые помогут принять решение.
В настоящее время при проектировании профилей используют профессиональное программное обеспечение: Dynacam 10 (профессор Robert L. Norton), 4StHEAD (профессор Gordon P. Blair), Lotus Concept Valve Train и т.д. Мы используем для своих проектов профиля очень известной в мире автоспорта Итальянской инжиниринговой компании специализирующейся на распредвалах (high performance, race camshaft).
Давайте рассмотрим 2 профиля с одинаковой полной фазой 280 градусов. Принцип у всех программ очень похож. Вводится полная фаза или фразировка, как в нашем случае открытие клапана 34 гр. до ВМТ и закрытие 66 гр. после ВМТ (34+66+180=280). Вводим максимальный подъем клапана 10 мм и в конце параметры для рамп (открытия и закрытия). В примерах будет использован симметричный вал под гидравлические толкатели (в последнее время тенденция делать рампу закрытия немного шире, что бы мягче опускать клапан). Подъем рампы 0.1 мм и ширина 30 градусов.
Вариант 1
На что необходимо обратить :
— Эффективность основного профиля (Profile efficient) без учета рамп. Это очень полезный параметр распределительного вала для понимания его эффективности. Для вычисления необходимо площадь под кривой подъема клапана (желтая зона) разделить на сумму площадей (зеленная+желтая)
— Время сечения (under area) {мм*град.} Данное значение также очень полезно, особенно для понимания возможностей распредвала. Это площадь под кривой подъема клапана (желтая зона).
И так, еще с двумя терминами познакомились. Теперь посмотрим на вариант 2 профиля распределительного вала с точно такими же параметрами. Наложим один на другой (вариант 2 – синий, вариант 1 – красный)
Теперь предлагаю посмотреть, как изменились выше рассмотренные параметры
Время сечения в первом варианте составило 787 мм*град. В варианте 2 увеличилось до 841 мм*град или на 7%. Данное изменение объясняется повышением эффективности профиля с 56.2% до 60.1% на те же 7%.
И так напомню, оба варианта имеют одинаковую полную продолжительность фазы 280 градусов и одинаковые рампы по 30 градусов на каждую сторону. В варианте 1 фаза @1.27мм составила – 227 градусов, в варианте 2 при подъеме 1.27 мм — 238 градусов.
Очевидно, что время сечение наилучший способ определения возможностей распределительного вала, а вот полная фаза менее всего информативный параметр. Фаза при 1.27 мм значительно ближе по информативности к времени-сечению.
Потому становится понятно, почему популярным методом определения качества распредвала является площадь под кривой подъема клапана (время сечения). Есть даже такое утверждение: «Все, что имеет значение, — это площадь под кривой подъемной клапана».
На самом деле это не совсем так. На графике снизу показана кривая подъемной клапана с указанием трех различных областей. Зона, обозначенная буквой “A”, является основной, самой важной, поэтому ее следует считать за 100%.
Введем еще один термин L/D – соотношение высоты подъема клапана к диаметру седла клапана. При достижении L/D — 0.32 (Пример: если диаметр седла 28 мм, то 28 м х 0.32 L/D = 8.96 мм) прирост расхода воздуха в канале ГБЦ начинает значительно замедляться, и при достижении L/D — 0.4 достигает своего максимума.
Можно также использовать данные, которые проводит компания SuperFlow. В их работах в соотношение L/D используется диаметр клапана. В таком случае значения немного изменятся, при достижении L/D 0.3 прирост расхода воздуха в канале ГБЦ начинает значительно замедляться, и при достижении L/D — 0.37 достигает своего максимума.
По этой причине область, обозначенная буквой “B”, не должна считаться так же, как область “A”. В таком случае мы должны присвоить области “B” вес только 50%. Зона “В” не вредит, но и не улучшает профиль в такой степени, как область “А”.
Далее мы еще обсудим важность рамп, которые отвечают за скорость открывания и закрывания клапана. Профиль, в котором используются не оптимальные рампы с медленным открытием и закрытием, т.е. с большой площадью “C”, будет вялым на низких и средних оборотах. У него будет хуже холостой ход и т.д. По этой причине площадь “C” должна также учитываться при оценке качества профиля и следовательно должна иметь отрицательный вес.
Таким образом, площадь под кривой подъема клапана (время сечения) — не лучший способ измерить качество профиля кулачка. Его следует использовать с осторожностью. Было бы лучше использовать весовой коэффициент для различных частей кривой, то есть вес 1 для области “A”, вес 0.5 для области “B” и достаточно большой отрицательный вес для области “C”.
Продолжительность фаз открытия является наиболее важным параметром распределительного вала. По этой причине необходимость в стандартизации измерения была признана давно. Некоторые производители распределительных валов использовали фазу при 0.1 мм, другие использовали иные значения. То, что изначально было продолжительностью от седла к седлу, теперь известно как «Рекламируемая продолжительность», т.е. вы действительно не знаете, как она измерялась. Кроме того, имеет смысл использовать числа при более высоком подъеме, когда клапан достаточно открыт для значительного потока. По этим причинам подъем @0,050 (1.27 мм) является выбранным стандартом для сравнения продолжительности. Это не означает, что продолжительность полной фазы не важна, но то, что фаза при подъеме 0,050 дюйма (1.27 мм) является лучшим единичным измерением фаз газораспределения это очевидно.
Указание продолжительности при подъеме клапана @ 0,050 дюйма является хорошим стандартом для кулачков с гидравлическим толкателем, но не для жестких. Проблема заключается в значительных вариациях используемого теплового зазора клапана.
Итак, мы рассмотрели несколько методов оценки распределительных валов. И даже в самый лучший способ, с использованием значений времени сечения, необходимо вносить весовой коэффициент. Кроме того, для этого необходимо иметь в наличии переведенный в цифры сам профиль. Профиль теоретически можно попросить у производителя, но мало вероятно то, что кто-то его даст. Другой вариант, сделать замер кулачков, но для этого необходимо иметь не дешевое оборудование и программное обеспечение.
После измерения на таком оборудовании вы получите полную информацию о кулачках распределительного вала, с указанием подъема клапана, скорости, ускорениях и толчков (jerk). Скорость в мм/град – как быстро перемещается клапан. Ускорение мм/град^2 – как быстро изменяется скорость и Jerk мм/град^3 – показывает скорость изменения ускорения, очень важный параметр для расчета рамп.
Не думаю, что вся эта информация сильно поможет обыкновенному пользователю. Но это информация необходима специалистам для расчета и моделирования двигателей.
Как же быть обычному энтузиасту? Для этого можно воспользоваться лайфхаком (премудростью или советом бывалых) от HARVEY CRANE, человеком хорошо известном в мире автоспорта (и особенно в конструировании распределительных валов). Может помните фильм «Дни грома», про гонки Nascar, вот кадр из этого фильма (на двери в комнатушке у Тома Круза – реклама CraneCams).
Первое, что он утверждает – указание продолжительности фазы без добавления приставки “от” какого момента – информация TOTALLY USELESS (абсолютно бесполезна).
Далее Харви вводит еще три термина для лучшего понимания характеристики распределительных валов: «ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ», «НЕБОЛЬШАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ» и «ОСНОВНАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ». Эти термины были разработаны для оценки не пиковых значений, а эффективности ширины рабочей области распределительного вала.
Гидравлическая интенсивность может быть вычислена путем вычитания продолжительности при подъеме кулачка @0,05000 дюйма (1.27мм) из продолжительности подъема кулачка @0,004 дюйма (0.1 мм). Кулачок с продолжительностью 280 градусов при подъеме кулачка 0,04 дюйма и продолжительностью 220 градусов при подъеме кулачка 0,05 дюйма имеет ГИДРАВЛИЧЕСКУЮ ИНТЕНСИВНОСТЬ 60,00 градусов.
Небольшая интенсивность может быть вычислена путем вычитания продолжительности при подъеме кулачка @0,05 дюймов из продолжительности подъема кулачка @0,01 дюймов (0.25 мм).
И основная интенсивность может быть вычислена путем вычитания продолжительности при подъеме кулачка @0,05 дюймов из продолжительности подъема кулачка 0,02 дюймов (0.5 мм).
Чем меньше значение Интенсивности, тем выше значения Эффективности и производительность (performance) УВЕЛИЧИВАЕТСЯ!
Идеальный профиль кулачка должен мгновенно поднимать клапан до полного подъема, удерживать его открытым в течение определенного времени, а затем мгновенно закрыть. Это идеальный профиль, но законы физики естественно не позволяют, делают невозможным мгновенное открытие и закрытие клапанов. Но последние достижения в технологии проектирования сделали возможным открывать и закрывать клапана с большей площадью под кривой подъема. Таким образом, повышается эффективность двигателя, поскольку клапаны проводят меньше времени при очень малых подъемах.
С практической точки зрения, если сравнивать два профиля с одинаковой продолжительностью при @0.05 дюймов, то пиковые значения крутящего момента и мощности будут практически идентичными. Однако профиль с меньшими значениями ИНТЕНСИВНОСТИ (см. выше описание термина) – будет иметь более плавный холостой ход, лучший отклик на низких оборотах и более широкую кривую момента.
Харви Кран (HARVEY CRANE), который ввел понятие интенсивности на малых подъемах клапана подтверждает методику, которую используем мы с применением весовых коэффициентов для разных областей под кривой подъема клапана. Уменьшая площадь области ”С” (уменьшая Интенсивность по методу HARVEY CRANE) – повышаем эффективность распределительного вала (Profile efficient) и улучшаем кривую мощности и крутящего момента двигателя на низких и средних оборотах без потери максимальных показателей.
Для лучшего понимания приведу реальный пример с графиками. Прежде чем приступить к реализации любого проекта необходимо сделать сам проект и не имеет значения, строите вы дом, баню или двигатель.
И так, двигатель был 1.6 литра 16 кл. – задача была получить достаточно мощный, но при этом максимально комфортный автомобиль. Решили увеличить объем до 1.8 литра, доработали ГБЦ, рассчитали впускной ресивер, выпускной коллектор, систему впуска и выпуска. Расчет и реальный результат полностью совпал.
На данном двигателе были установлены очень неплохие распределительные валы изначально. Предлагаю посмотреть, как изменится кривая мощности и крутящего момента при использовании впускного распределительного вала с практически идентичной продолжительностью 216 градусов при @0.05 (1.27 мм)
1 – распределительный вал, который был установлен (полная фаза с учетом рамп – 320 градусов): подъем 9.55 мм, фаза @0.1 мм 261.5, @1.27мм 216.6 градуса
2- распределительный вал, рассчитанный нашими Итальянскими партнерами (современный профиль): подъем 9.56 мм, фаза @0.1мм 254.4, @1.27 мм – 216.3 градуса
Ниже полное описание распределительного вала — вариант 2
Посмотрим, как изменятся характеристики двигателя при сравнении двух графиков
Синяя линия – кривая крутящего момента с впускным распределительным валом 1.
Красная линия — кривая крутящего момента с впускным распределительным валом 2.
Отчетливо видно, что пиковые (максимальные) значения и по крутящему моменту и по мощности практически идентичны. Но вот площадь под кривой момента с распредвалом 2 больше.
Ниже приведу график сравнения коэффициента наполнения (VE%)
Распределительный вал 1 отличается от варианта 2 тем, что имеет Интенсивность по методу HARVEY CRANE выше, а это ухудшает показатели. Имеет большую площадь области “С”, которая имеет отрицательный весовой коэффициент по методу – площади под кривой подъема клапана, что так же ухудшает эффективность профиля распределительного вала.
Как уже выше было написано, идеальный профиль должен мгновенно поднимать клапан, удерживать его в точке с максимальным подъемом и затем мгновенно опускать, но законы физики этого не позволяют делать. Поэтому при расчете закона движения клапана необходимо учесть кинематику и динамику. Есть много всевозможных ограничений (лимитов), в которые необходимо вписаться.
В данной статье все примеры описаны для системы привода клапана с непосредственным воздействием на гидравлический компенсатор. В данной системе первым ограничением является скорость открытия, предел задает радиус толкателя. Чем больше радиус толкателя, тем круче мы сможем спроектировать профиль распределительного вала.
Максимальная скорость вычисляется по следующей формуле: v < (π/180)(Rlifter — safe)
R- радиус толкателя, Safe – (запас в мм). С увеличение скорости подъема клапана, увеличивается смещение пятна контакта. Смещение должно быть меньше, чем радиус толкателя с учетом запаса. Смотрим видео
Маржа (запас по смещению) от двигателя к двигателю меняется и зависит от жесткости всей системы, потому что вибрации также могут сместить пятно контакта. При проектировании распределительных валов для современных двигателей запас обычно больше 1 мм не делают.
При проектировании профиля распределительного вала с гидравлическим или жестким толкателем применяются те же самые методы, за исключение рамп. Фактически обычно с гидравлическим толкателем, часто нет необходимости в использовании рамп, или достаточно небольших рамп циклоидного типа. Потому что зазор автоматически компенсируется толкателем.
Очень важный аспект при проектировании профиля рамп учитывать скорость посадки клапана в седло. Пределы для стоковых или гоночных двигателей (многочасовые гонки) — 25дюймов/секунду (0.635 м/сек или 2.286 км/час). В драге скорость посадки может достигать и 35 дюймов/ секунда.
Скорость посадки напрямую зависит от скорости вращения коленчатого вала.
Смотрим таблицу:
Если перевести в скорость посадки 25 дюймов/секунда в мм/градус (по распредвалу), в таком случае при 6000 об/мин предел будет – 0.035 мм./градус, а вот при расчете профиля под 9000 об/мин — лимит составит 0.0235 мм/градус.
Из выше сказанного становится понятно, что в зависимости от радиуса толкателя будут разной агрессии профиля и при этом надо учитывать, что распредвал, сделанный под толкатель 32 мм небезопасно ставить на двигатель с толкателем 30 мм.
Также, профиль, рассчитанный под скорость посадки клапана в седло с пиком 7000 об/мин, не подойдет для конфигурации двигателя, рассчитанной на 9000 об/мин.
Универсальный профиль с большими запасами всегда значительно будет проигрывать профилю, рассчитанному под конкретные задачи.
Надеюсь, что эта статья вам поможет в подборе распределительных валов.
С уважением Barik,
Комментарии отключены, сожалею.