Винтовой распредвал

Винтовой распределительный вал — это тип механической системы переменного привода клапанов (VVA). Точнее, это распределительный вал , который позволяет изменять длительность открытия клапана в широком, непрерывном, бесступенчатом диапазоне, при этом вся дополнительная длительность находится при полном подъеме клапана .

В этой статье под распределительным валом переменной продолжительности понимается распределительный вал с конструкцией, которая предназначена для замены обычного распределительного вала в головке блока цилиндров и управляет клапанами через обычные толкатели. Дополнительные квалификации:

• Диапазон длительности плавный и непрерывный.
• Весь добавленный диапазон достигается при полном подъеме клапана.
• Диапазон достаточно широк, чтобы обеспечить полный крутящий момент и мощность даже при чрезвычайно высокой скорости вращения.
• Диапазон достаточно широк, чтобы обеспечить управление нагрузкой двигателя путем позднего закрытия впускного клапана (LIVC).
• Скорости открытия и закрытия клапана, ускорения, рывка и т. д. находятся в допустимых пределах при всех настройках длительности.

Эти оговорки необходимо сделать, поскольку на протяжении многих лет было сделано много заявлений о чисто механических распределительных валах с переменной продолжительностью действия, но ни один из них не смог удовлетворить всем этим требованиям. ^{[ необходима цитата ]}

Несмотря на огромные усилия и расходы, затраченные как крупными организациями, так и частными лицами, распределительные валы, подобные патенту США 1,527,456, никогда не были существенно улучшены и остались неиспользованными основным автомобильным сообществом. Мнение многих инженеров (и других) о возможности разработки работоспособного распределительного вала с переменной продолжительностью после стольких усилий и стольких лет безуспешных попыток состояло в том, что крайне маловероятно, что это когда-либо будет сделано, и это останется недостижимым « святым Граалем ».

Винтовой распределительный вал весьма отдаленно относится к весьма многочисленному общему классу кулачков с коаксиальным валом и комбинированным профилем, как это совсем недавно было описано в работе Университета Клемсона (чьи кулачки по существу идентичны многим другим кулачкам, например, описанным в патенте США 1,527,456 ).

Винтовой распределительный вал существенно отличается от других представителей этого общего класса наличием уникального винтового движения — комбинированного окружного и осевого движения двух профилей.

Продолжительность может быть увеличена до тех пор, пока закрывающий фланк кулачкового выступа не достигнет открывающего фланга – продолжительность 720 градусов. В типичном применении винтовой распределительный вал будет иметь непрерывный диапазон продолжительности от примерно среднего для дорожного двигателя общего назначения (около 250 градусов, измеренных при нормальном зазоре клапана) до примерно 100 или 150 градусов выше этого.

Клапан открывается с нормальной скоростью ускорения, рывка и т. д., а затем удерживается открытым при максимальном подъеме в течение необходимого времени, прежде чем закрыться с нормальной скоростью.

Винтовой распределительный вал в основном изменяет свою продолжительность, вращая открывающиеся и закрывающиеся боковины друг от друга, начиная с линии разделения на носу кулачка. По мере того, как боковины раздвигаются, область носа «заполняется» областью постоянного радиуса вокруг центра вращения распределительного вала. Равная угловая величина удаляется из базовой окружности постоянного радиуса по мере увеличения постоянного радиуса носа.

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

Механизм представляет собой коаксиальную конструкцию вала, где внешний вал несет основное тело кулачкового выступа. Основное тело кулачкового выступа находится в своей максимальной продолжительности форме.

Обычно тело главного кулачка имеет продолжительность около 450°. Кулачок очень длинный в осевом направлении, около 45 мм (1,8 дюйма), и его профиль состоит из обычных открывающихся и закрывающихся боковин, разделенных примерно 170° постоянного радиуса над носиком кулачка. Кулачок имеет винтовой паз, выточенный в нем, который имеет угол наклона спирали около 35° относительно оси вращения распределительного вала.

Ширина паза равна угловому размеру закрывающего фланга кулачка. ^{[ необходимо уточнение ]} Один край паза простирается по диагонали на всю длину лепестка через постоянный радиус носа 170 градусов. Другой край отшлифован так, чтобы он был на уровне базовой окружности. Фактически, паз заменяет закрывающий фланг на основном корпусе кулачкового кулачка. Перемычка паза представляет собой сегмент кулачка (толщиной около 10 мм), который отшлифован по профилю закрывающего фланга. Сегмент прикреплен к внутреннему валу. Один край паза имеет постоянный цилиндрический радиус, тот же радиус, что и радиус носа кулачка. Другой край имеет радиус базовой окружности кулачка. Небольшая область вдоль каждого края сегмента закрывающего фланга имеет тот же постоянный радиус, что и край паза, к которому он примыкает.

Это означает, что сегмент может быть расположен в любом месте вдоль винтовой прорези, и всегда будет плавный переход для толкателя к сегменту и от него. Сегмент кулачка закреплен на внутреннем валу, поэтому любое относительное осевое движение приводит к изменению продолжительности открытия клапана. Толкатель расположен таким образом, что он всегда остается выровненным с сегментом, который остается неподвижным в осевом направлении.

Поскольку угол наклона спирали паза составляет около 35°, любое осевое перемещение внешнего вала приводит к вращению сегмента, обнажая большую или меньшую часть постоянного радиуса носика и, таким образом, изменяя продолжительность.

Базовый или кратчайший профиль продолжительности системы винтового распредвала почти идентичен стандартному профилю двигателя производства. Базовый профиль винтового распредвала относится к общей группе форм кулачков, которые используются с поворотными толкателями кулачков, особенно с довольно высоким отношением коромысла, около 2:1.

Это семейство профилей кулачков характеризуется в первую очередь коротким подъемом кулачка. Из-за этого у кулачка очень закругленный (или «курносый») вид. Радиус кривизны носовой области (вокруг оси вращения распределительного вала) часто очень близок к постоянному радиусу в угловой протяженности около 20 градусов или около того. Спиральный распределительный вал требует, чтобы эта область была действительно постоянным радиусом. В некоторых случаях для этого требуется всего лишь 0,25 мм (или меньше) удалить от носа. ^{[ необходима цитата ]} При измерении скорости ускорения и рывка в носовой области немного выше стандартных.

Носовая часть лепестка обычно может иметь около 150°, добавленных к ней, для дополнительной продолжительности. Геометрия подъемной поверхности остается неизменной. Благодаря этой увеличенной продолжительности скорость подъема и общий подъем не должны быть такими экстремальными, как у гоночного кулачка, чтобы достичь максимальной мощности на высоком конце.

Традиционное применение VVA (особенно переменной продолжительности) заключается в том, чтобы согласовать обороты двигателя с продолжительностью открытия клапана (это очень грубо то, что делает VTEC ). Общая идея заключается в улучшении производительности на высоких оборотах без сопутствующих проблем гоночного кулачка с большой продолжительностью, таких как отсутствие мощности на низких оборотах, неровный холостой ход 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 со спиральным распредвалом старая концепция максимальной точки мощности в диапазоне оборотов больше не применима. Со спиральным распредвалом мощность продолжает нарастать до тех пор, пока не будет достигнут предел «дыхания» системы впуска — или, что более вероятно, не будет превышен предел механической прочности компонентов двигателя. ^{[ необходима цитата ]} Типичный диапазон продолжительности работы косозубого распределительного вала от 250 до 350 градусов и более по сути означает, что достаточно надежный двигатель может «тянуть» с большой силой от 1500 об/мин до, возможно, 20 000 об/мин и по-прежнему плавно работать на холостом ходу при 500 или 600 об/мин. ^{[ необходима цитата ]}

Никогда не было механической системы VVA, которая имела бы либо диапазон продолжительности при полном подъеме, либо возможность работы на высоких оборотах, чтобы сделать что-то подобное. Электромагнитные/гидравлические системы «без кулачков» имеют аналогичные диапазоны продолжительности/подъема, что и винтовой распределительный вал, но в настоящее время их способность работать на высоких оборотах строго ограничена.

На, возможно, более практическом уровне динамометрические испытания дорожных двигателей показали, что даже при ограничении продолжительности поворота винтового распределительного вала всего лишь примерно на 30 градусов типичный дорожный двигатель может увеличить свою мощность на 25–30 % при том же пике мощности оборотов, что и стандартный кулачок, а поведение на холостом ходу и низких оборотах является совершенно нормальным.

Применение винтового распредвала в качестве инструмента экономии топлива, возможно, даже более важно, чем просто максимизация выходной мощности двигателя. Тестирование прототипа винтового распредвала в двигателе Suzuki GSX 250 cc показало значительное улучшение экономии топлива на холостом ходу. Этот конкретный винтовой распредвал устроен таким образом, что все увеличение продолжительности приходится на закрывающую сторону кулачка впускного кулачка, 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 насосные потери на впуске. Эти насосные потери являются наибольшими на холостом ходу, постепенно снижаясь по мере увеличения давления в коллекторе (и выходной мощности). Тестовый двигатель Suzuki постоянно регистрировал 40%-ное улучшение экономичности на холостом ходу по сравнению с тем же двигателем со стандартным установленным распредвалом. Это может показаться немного маловероятным, но следует помнить, что, по оценкам, на холостом ходу около 80% используемого топлива идет только на преодоление насосных потерь на впуске. Таким образом, любое снижение насосных потерь оказывает существенное и прямое влияние на потребление топлива на холостом ходу. По мере увеличения выходной мощности 40% быстро уменьшатся, но для двигателя в типичном дорожном/транспортном использовании общая цифра, вероятно, составит от 10% до 20%. Удивительное улучшение экономии топлива на холостом ходу, возможно, применимо только к карбюраторным двигателям, таким как Suzuki. То, как будет вести себя современный многоцилиндровый автомобильный двигатель с впрыском топлива с винтовым распредвалом, пока еще не проверено. Кажется вероятным, что будет заметное улучшение экономичности холостого хода, но, возможно, не на 40% — по крайней мере, без других модификаций. Suzuki работал на холостом ходу примерно на 55 или 60 дополнительных градусах позднего закрытия. То есть, около 120 градусов после нижней мертвой точки. Это означает, что общая требуемая продолжительность составляла около 320 градусов. Управление нагрузкой двигателя с помощью LIVC требует очень больших продолжительностей. Обычно для управления нагрузкой с помощью LIVC требуется гораздо большая продолжительность, чем требуется для мощности на высоких оборотах, особенно для общего дорожного применения. Важно, что вся эта очень большая продолжительность открытия клапана при использовании для LIVC должна быть при полном подъеме клапана. Подъем клапана должен быть максимальным, чтобы не препятствовать потоку в цилиндр и из него. Любое ограничение потока приводит к насосным потерям, что сводит на нет всю цель LIVC.

Обсудив использование винтового распредвала для обеспечения высокой мощности RPM, а также для управления нагрузкой с помощью LIVC, следует прояснить, что нет причин, по которым обе функции не могли бы использоваться в одном и том же двигателе. Реалистично принцип винтового распредвала может быть применен только к двигателям с двумя распредвалами. Для максимизации выходной мощности и впускной, и выпускной кулачки должны быть типа винтового распредвала. Увеличение продолжительности, необходимое для производительности на высоких оборотах, должно быть примерно одинаковым как для впускного, так и для выпускного кулачков, и примерно симметричным относительно центральной линии профиля базовой продолжительности. Для работы только LIVC только впускной распредвал должен быть винтовым распредвалом. С расположением двух винтовых распредвалов и подходящими элементами управления двигатель может иметь как экстремальную выходную мощность, так и быть очень экономичным .

Также существует возможность еще большей топливной эффективности за счет прямой мощности. Винтовой распределительный вал и общий принцип LIVC также позволяют использовать очень высокую степень сжатия (CR). Идея здесь заключается в том, чтобы использовать очень высокую геометрическую 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 тепловой КПД. Этот общий принцип обычно называют « циклом Аткинсона ». (Строго говоря, цикл Аткинсона относится к двигателю с механически разной длиной тактов сжатия и расширения. В современной практике давление сжатия ограничивается фиксированным количеством позднего закрытия впускного клапана — это имеет точно такой же эффект, как и разные длины ходов). С циклом Аткинсона дополнительная эффективность достигается за счет снижения общей мощности. Например, если бы геометрическое CR двигателя составляло 18:1, его пришлось бы ограничить примерно половиной полного заряда воздушно-топливной смеси, чтобы избежать детонации. В результате при полной нагрузке двигатель использовал бы половину топлива, но мощность была бы не половиной, а примерно двумя третями или тремя четвертями мощности эквивалентного «нормального» двигателя — чистый результат — увеличение термического КПД. Такой двигатель был бы экономичным, но он все равно страдал бы от потерь на впуске.

Винтовой распредвал позволит применять как цикл Аткинсона, так и LIVC одновременно. Высокий CR позволит использовать еще большее количество LIVC на холостом ходу, тем самым еще больше снижая насосные потери и повышая эффективность. Полученный двигатель будет иметь экономию топлива, очень похожую на (или лучшую) дизель, и он может работать на более дешевом топливе LPG . Он также будет легче по весу и дешевле в производстве, чем дизель . Автомобиль, оснащенный таким двигателем, будет казаться гораздо более простой и дешевой альтернативой « гибридному» автомобилю . (Но гибрид, оснащенный винтовым распредвалом/двигателем Аткинсона/LIVC, будет еще более экономичным).

Одной из последних «модных» областей исследования двигателей в настоящее время является двигатель с однородным компрессионным воспламенением (HCCI). Он представляет собой работу двигателя с искровым зажиганием при малой или частичной нагрузке аналогично дизельному двигателю. HCCI требует очень быстрого и точного изменения давления сжатия, чтобы более или менее контролируемое компрессионное воспламенение внезапно не перешло в полномасштабную детонацию. Одной из главных сильных сторон винтового распределительного вала является то, что он может делать именно это. Однако, похоже, что легко контролируемый LIVC (с или без эффектов Аткинсона с высоким CR) является гораздо более простым способом управления двигателем, чем явно рискованный процесс HCCI, и сомнительно, что HCCI более экономичен, чем LIVC и т. д.

Продолжительность работы винтового распределительного вала изменяется путем перемещения внешнего вала коаксиального расположения в продольном (или осевом) направлении. Угол наклона винтовой линии винтового распределительного вала, вероятно, всегда будет составлять около 30–35 градусов. Угол наклона винтовой линии определяется шириной используемого сегмента (обычно около 10 мм или 0,39 дюйма) и 20-градусной областью постоянного радиуса на носу кулачка (обычно она составляет около 7 мм в окружности). Диагональная линия разделения, проходящая через эту область, должна, таким образом, проходить под углом около 35 градусов к оси распределительного вала. Это соответствует цифре около 3,5 (коленчатого вала) градусов на миллиметр осевого перемещения. 30 мм (1,2 дюйма) перемещения дадут 105 градусов изменения продолжительности. Хотя винтовой распределительный вал способен на гораздо большее, при испытаниях было обнаружено, что этого количества достаточно для большинства целей. ^{[ необходима цитата ]}

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

Некоторые прототипы работали очень хорошо с использованием центробежного контроллера/приводов. Если бы требовалось управлять винтовым распределительным валом для использования как LIVC, так и аспектов высоких оборотов кулачка, вероятно, потребовались бы гидравлические приводы на каждом кулачке, чтобы позволить использовать LIVC. Каждому винтовому распределительному валу также потребовался бы механизм изменения фазы для использования высоких оборотов. При низких оборотах и ​​частичной нагрузке винтовой распределительный вал был бы полностью LIVC. При высоких оборотах и ​​полной нагрузке все еще потребовалась бы большая продолжительность от винтового распределительного вала, но механизм изменения фазы должен был бы изменить увеличение продолжительности «все на замыкающем фланге» на что-то более симметричное. Все это, возможно, можно было бы сделать механически, но разумной компоновкой, вероятно, была бы компоновка с внешним питанием с компьютером/микропроцессором для сортировки требуемых величин LIVC и фазировки. Для работы HCCI картина менее ясна, но очень короткое (и, следовательно, очень быстрое) осевое перемещение, которое необходимо для изменения давления сжатия, по-видимому, делает винтовой распределительный вал очень подходящим для этого процесса.

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 винтового распределительного вала обычно стоят около 1500 долларов за обработку и материалы. ^{[ требуется цитата ]} Эта цифра значительно снизится при производстве. Стоимость винтового распределительного вала действительно высока только в сравнении с обычным распределительным валом, изготовление которого, как сообщается, обходится производителям всего в несколько долларов за единицу. ^{[ требуется цитата ]} Этот факт заставляет винтовой распределительный вал выглядеть дороже, чем он есть на самом деле. Сказав это, можно сказать, что стоимость винтового распределительного вала (и связанных с ним органов управления и т. д.) вероятно, очень похожа (или даже дешевле) стоимости других систем VVA производства. ^{[ требуется цитата ]}

Различные прототипы никогда ^{[ проза павлина ]} не показывали никаких проблем с износом или предельной прочностью (разрывом) в течение многих часов испытаний (некоторые на очень высоких оборотах), которым они подвергались. Но поскольку распределительный вал серийного автомобиля в идеале должен служить в течение всего срока службы транспортного средства, должны оставаться некоторые сомнения до тех пор, пока не будут проведены действительно долгосрочные испытания. Однако есть признаки того, что, вероятно, не будет неразрешимых долгосрочных проблем. ^{[ необходима цитата ]}

Винтовой распредвал должен работать через подъемно-умножающий поворотный толкатель. Винтовой распредвал не может быть реально использован с толкателем типа перевернутого ковша. Несмотря на то, что перевернутый ковш все еще используется, его все чаще заменяют как в дорожных, так и в гоночных двигателях поворотным толкателем «пальцевого» типа. Помимо необходимости поворотного толкателя, если двигатель имеет четыре клапана на цилиндр, толкатель должен быть раздвоенным, чтобы один винтовой кулачок распредвала управлял двумя клапанами. Это скорее характеристика, чем проблема. Если требуется действительно широкий диапазон продолжительности, поскольку осевое пространство вдоль распредвала несколько ограничено, обычно можно найти место только для одного винтового кулачка распредвала (и его рабочего пространства).

Винтовой распредвал не может работать в режиме очень короткой продолжительности или с переменным подъемом ^{[ по мнению кого? ]} . Многие компании и производители ^{[ по мнению кого? ]} создали видимость того, что их конкретная система VVA обеспечивает очень короткую продолжительность работы и связанный с этим низкий подъем клапана, поскольку у них на самом деле не было выбора.

Нет никаких физических причин, по которым винтовой распределительный вал не мог бы быть «ведущим» кулачком в установке качающегося кулачка типа Valvetronic . (Но это было бы довольно сложно, и часть Valvetronic в конструкции ограничила бы возможности винтового распределительного вала по высоким оборотам). Результатом был бы почти невероятный набор возможных комбинаций продолжительности/подъема. Это могло бы быть очень полезным 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 винтовому распределительному валу. Трудно представить себе использование более чем около 400 градусов — а винтовой распределительный вал потенциально имеет еще около 300 градусов в запасе.

• 
  Suzuki GSX 250 стандартный кулачок
• 
  Винтовой кулачок Suzuki – минимальная продолжительность
• 
  Винтовой кулачок Suzuki – продолжительность среднего диапазона
• 
  Винтовой кулачок Suzuki – настройка максимальной продолжительности

• Патент США 6,832,586
• Журнал "Two Wheels", июль 2008 г., стр. 74–75. Статья: "Timing with a Twist-The Williams Helical Cam" https://web.archive.org/web/20081220005104/http://www.twowheels.com.au/ Автор: Джереми Боудлер
• Журнал "Performance Buildups", том 15, № 1, страницы 30–35. История: "The Helical Cam – A New Twist on Induction" Автор: Пол Тузсон
• Журнал "Fast Fours", июль 2004 г., страницы 100–108. История: "Totally Twisted" Автор: Пол Тузсон http://www.fastfours.com.au Архивировано 16 декабря 2008 г. на Wayback Machine