Моменты открытия и закрытия клапанов определяются профилем кулачков распределительного вала, установкой его по отношению к коленчатому валу и зазорами между клапанами и толкателями или коромыслами.
Период от момента открытия клапана (или окна у двухтактных двигателей) до момента его закрытия, выраженный в градусах поворота коленчатого вала, называется фазой газораспределения.
Фазы газораспределения зависят от быстроходности двигателя. Чем выше номинальная частота вращения коленчатого вала, тем больше углы фаз газораспределения.
У всех двигателей имеется период, когда выпускной и впускной клапаны открыты одновременно. Это так называемый момент перекрытия клапанов. Момент перекрытия угла открытия впускного клапана и закрытия выпускного клапана у двигателей автомобилей «ГАЗель» (кроме двигателей ЗМЗ-4061 и -4063) составляет 28°, а у двигателей ЗМЗ-4061 и -4063 — 30° При перекрытии клапанов утечка заряда с отработавшими газами незначительна вследствие небольшого промежутка времени перекрытия и малых проходных сечений в этот период.
Оптимальные фазы газораспределения для каждой модели двигателя устанавливаются экспериментальным путем. Правильная установка фаз газораспределения двигателя достигается при сборке совмещением специальных меток на шестернях коленчатого и распределительного валов.
Если выпускной клапан откроется в момент, когда поршень опустится в НМТ, то на вытеснение отработавших газов придется затратить определенную мощность двигателя. Когда выпускной клапан открывается с опережением прихода поршня в НМТ, то происходит потеря работы газов, но уменьшаются затраты мощности на выталкивание отработавших газов. Очевидно, что выпускной клапан должен открываться в такой момент, чтобы потеря работы газов за период предварения выпуска и затрата работы во время выталкивающего хода поршня были минимальными, т.е. чтобы упреждающее открытие выпускных клапанов приводило к меньшей потере мощности двигателя, чем затраты ее на выталкивание отработавших газов при открытии выпускных клапанов в момент прихода поршня в НМТ.
Для лучшей очистки цилиндра от остаточных отработавших газов выпускные клапаны целесообразно закрывать не в момент прихода поршня в ВМТ, а с некоторым запозданием, так как отработавшие газы продолжают по инерции выходить из цилиндра даже после прохождения поршнем ВМТ. Чем быстроходнее двигатель, тем большим делают угол запаздывания закрытия выпускного клапана.
Открытие впускного клапана начинается до прихода поршня в ВМТ. Это обеспечивает почти полное открытие клапана к моменту прихода поршня в ВМТ и начала его движения к НМТ. У многоцилиндровых двигателей за счет тактов впуска в других цилиндрах горючая смесь или воздух у дизелей постоянно движется по впускному тракту по инерции. Поэтому у открывающихся впускных клапанов будет находиться горючая смесь, готовая поступать в цилиндр, и как только клапан откроется, в цилиндр начнет поступать свежий заряд.
Следует помнить, что в начальные моменты открытия впускного клапана проходное сечение его весьма незначительно, так что предположения о возможности продувки цилиндра свежим зарядом горючей смеси или воздуха у дизелей, а следовательно, утечки части свежего заряда, не верны. Перекрытие моментов открытия впускного клапана и закрытия выпускного позволяет начать процесс впуска с большим проходным сечением у впускного клапана, что весьма существенно.
К моменту прихода поршня при такте впуска в НМТ цилиндр еще не совсем заполнен горючей смесью (или воздухом у дизелей), и в нем сохраняется значительное разрежение (давление ниже атмосферного). Поэтому закрывать впускной клапан нецелесообразно, так как даже при движении поршня к ВМТ из-за наличия разрежения в цилиндр будет поступать свежий заряд горючей смеси. Запаздывание закрытия впускного клапана позволяет использовать инерционность движущейся горючей смеси для лучшего заполнения цилиндра свежим зарядом. Если у двигателя с увеличением числа оборотов коленчатого вала давление в конце впуска снижается, а инерция заряда повышается, то устанавливают большее запаздывание закрытия впускного клапана.
Для лучшего удаления отработавших газов и наполнения цилиндра горючей смесью необходим такой профиль кулачков распределительного вала, при котором происходили бы мгновенные открытие и закрытие клапанов. Выполнение этого условия связано с большими трудностями, заключающимися в увеличении инерционных усилий. На практике проектируют профиль, обеспечивающий при открытии клапана приемлемую величину инерционных усилий.
В качестве примера рассмотрим рабочий процесс четырехтактного карбюраторного двигателя «ГАЗель» с учетом фаз газораспределения (рис. 4.8). Такт впуска начинается, когда до ВМТ поршень не доходит 12е, считая по обороту коленчатого вала (для двигателей ЗМЗ-4061 и -4063 — 14°). В это время открываются впускные клапаны, и цилиндры готовы к поступлению в них свежего заряда. Поршень доходит до ВМТ и начинает движение вниз. К приходу поршня в НМТ впускной клапан не закрывается, и поршень начинает движение вверх к ВМТ (соответствует такту сжатия). Поскольку в цилиндре все еще имеется разрежение, в него продолжает поступать свежий заряд. Закрывается впускной клапан, когда поршень отойдет от НМТ на 60°, считая по обороту коленчатого вала (у двигателей ЗМЗ-4061 и -4063 это 46°). Таким образом, такт впуска продолжается, считая по открытию впускного клапана, 252° После закрытия впускного клапана начинается сжатие рабочей смеси.
Рис. 4.8. Диаграммы (а—в) фаз газораспределения двигателей и положения поршней (г), соответствующие фазам газораспределения: а - общая четырехтактного; б - ЗИЛ-508; в - КамАЗ-740; α - угол опережения открытия впускного клапана; β - угол запаздывания закрытия впускного клапана; γ - угол опережения открытия выпускного клапана; δ - угол запаздывания закрытия выпускного клапана
Воспламенение рабочей смеси происходит, когда поршень на несколько градусов не доходит до ВМТ. Это необходимо для того, чтобы к моменту прихода поршня в ВМТ и началу его движения к НМТ часть рабочей смеси уже сгорела бы. Остальная рабочая смесь догорает при движении поршня к НМТ. Рабочая смесь горит со скоростью 30...35 м/с, и, если ее воспламенить в момент, когда поршень находится в ВМТ, получить максимальное давление на днище поршня будет невозможно, так как нарастающему давлению пришлось бы догонять убегающий поршень. Угол опережения воспламенения рабочей смеси или впуска топлива у дизелей не остается постоянным, а зависит от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель. Для изменения угла опережения зажигания и впрыска топлива у дизелей имеются специальные устройства.
Заканчивается рабочий ход в момент начала открытия выпускного клапана. У двигателей автомобилей «ГАЗель» выпускной клапан начинает открываться, когда до прихода поршня в НМТ остается 54° (для двигателей ЗМЗ-4061 и -4063 это 46°), а закрывается, когда поршень пройдет ВМТ и отойдет от нее на 18°, считая по обороту коленчатого вала (для двигателей ЗМЗ-4061 и -4063 — 14°). Таким образом, выпуск отработавших газов продолжается у этих двигателей 252° (у двигателей ЗМЗ-4061 и -4063 — 240°).
Для правильной установки фаз газораспределения на распределительных шестернях двигателя автомобиля ЗИЛ-433100 ставят специальные установочные метки.