Как работает газораспределительный механизм: Устройство газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания: назначение, принцип работы

Принцип работы системы газораспределения двигателя внутреннего сгорания (ГРМ)

Система ГРМ служит для обеспечения своевременного открытия или закрытия клапанов головки блока цилиндров.

При открытии впускного клапана в камеру сгорания двигателя поступает топливно-воздушная смесь, которая воспламеняется при сжатии поршня. При открытии выпускного клапана из камеры сгорания выходят отработанные газы.

 

Вовремя открывать необходимые клапана и предназначен весь газораспределительный механизм. В механизм ГРМ можно отнести: распредвал, клапана (впускные, выпускные), приводной ремень или цепь, натяжители, направляюшие, успокоители, шестерни и т.д.

Распределительный вал (он же распредвал) представляет собой металлический вал с кулачками разной формы, который при вращение нажимает кулачками на клапана,  тем самым открывая или закрывая их.

Распредвал приводится в действие от вращения коленчатого вала (коленвала) посредством привода. Распределительный вал вращается со скоростью в два раза меньшей, чем коленчатый вал.

 В современных двигателях используются ременные или цепные приводные механизмы. Все они обеспечивают передачу крутящего момента от коленвала к распределительному валу. Каждый из перечисленных приводов ГРМ имеют свои положительные и отрицательные качества.

Ременный привод менее долговечный, но более дешев в обслуживании и установки. В среднем срок службы оригинального ремня или качественного не оригинального ремня около 80 000 км. пробега. И как правило не возникает особых трудностей заменить “уставший” ремень на новый.

Цепной привод ГРМ гораздо долговечнее, в среднем срок службы цепи около 200 000 км. (у разных производителей данные рознятся, некоторые говорят от 300 тыс.км, а некоторые рекомендует менять уже на пробеге в 150 тыс.км). Не редки случаи, когда цепные системы газораспределения “переживают” другие детали двигателя, такие как поршня, вкладыши, гильзы. И при разборе “стукнувшего” мотора можно увидеть цепи и шестерни в отличном состоянии и при пробеге за 250 тыс. км. Но в связи с более высоким весом цепи по сравнению с ремнем, требуются дополнительные устройства натяжения (успокоительные, натяжители, балансиры, башмаки, направляющие и т.д.) и смазки. Как следствие замена цепи представляет собой достаточно дорогостоящее занятие

Как определить, что пора поменять привод ГРМ?

У ремня все просто! Желательно осматривать (при возможности) ремень  на наличие трещин в процессе эксплуатации и менять его согласно нормативным срокам замены! При замене ремня ГРМ желательно сразу поменять ролики и водяную помпу на новые.

В интернет-магазине запчастей на иномарки Arparts.ru вы найдете широкий ассортимент комплектов для замены ремней ГРМ с роликами и помпами!

С цепью все немного сложнее

Ремкомплекты цепей ГРМ представленные в интернет-магазине автозапчастей ARparts.ru

Устройство, Принцип Работы и Назначении, Основные Неисправности, Способы Диагностики и Ремонта

Основой любых силовых агрегатов и главной составляющей двигателей внутреннего сгорания является сложный газораспределительный механизм (ГРМ). Назначение газораспределительного механизма состоит в управлении впускными и выпускными клапанами двигателя. На такте впуска он открывает впускной клапан, смесь, состоящая из воздуха и топлива или воздуха (для дизельных двигателей), попадает в камеру сгорания. На такте выпуска — открытием выпускного клапана из камеры сгорания ГРМ удаляет отработанные газы.

Устройство газораспределительного механизма

Газораспределительный механизм состоит из следующих элементов:

1. Распределительный вал — изготовляется из чугуна или стали — в задачу которого входит открывание/закрывание клапанов газораспределительного механизма при работе цилиндров. Он монтируется в картере, который перекрывает крышка газораспределительного механизма, или в головке блока цилиндра. При вращении вала на цилиндрических шейках происходит воздействие на клапан. На него воздействуют кулачки, расположенные на распределительном валу. На каждый клапан воздействует свой кулачек.
2. Толкатели, изготовленные также из чугуна или стали. В их задачу входит передача усилия от кулачков на клапаны.
3. Клапаны впускные и выпускные. В их задачу входит подача топливно-воздушное смеси в камеру сгорания и удаления отработочных газов. Клапан представляет из себя стержень с плоской головкой. Основным отличием впускных и выпускных клапанов является диаметр головки. Впускной состоит из стали с хромированным покрытием, а выпускной — из жаропрочной стали. Клапанный стержень изготавливается в виде цилиндра с канавкой, необходимой для фиксирования пружины. Клапана двигаются только по направлению ко втулкам. Чтоб масло не попадало в камеру сгорания цилиндра, производят установку уплотнительного колпачка. Его изготавливают из маслостойкой резины. На каждый клапан крепятся внутренняя и наружная пружина, для крепления используют шайбы, тарелки.
4. Штанги. Они необходимы для передачи усилия от толкателей к коромыслу.
5. Привод газораспределительного механизма. Он передает вращение коленвала на распредвал и тем самым приводит его в движения, причем движется он со скоростью в 2 раза меньше, чем скорость коленвала. На 2 вращения коленвала распредвал делает 1 вращение — это и называется рабочим циклом, при котором происходит 1 открытие клапанов.

Схема устройства ГРМ

Таково устройство ГРМ и общая схема газораспределительного механизма. Теперь следует разобраться, каков принцип работы газораспределительного механизма.

Работа газораспределительного механизма

Работа системы газораспределения поделена на четыре фазы:

1. Впрыск топлива в камеру сгорания цилиндра.
2. Сжатие.
3. Рабочий ход.
4. Удаления газов из камеры сгорания цилиндра.

Рассмотрим подробнее принцип действия газораспределительного механизма.

1. Подача топлива в камеру сгорания цилиндра происходит за счет движения коленвала, который передает свое усилие на поршень и он начинает движения из так называемой ВМТ (это точка, выше которой поршень не поднимается) в НМТ (это точка, соответственно, ниже которой поршень не опускается). При этом движении поршня одновременно открывается впускной клапан и топливно-воздушная смесь заполняет камеру сгорания цилиндра. Впрыснув положенное количество топливно-воздушной смеси клапан закрывается. При этом коленвал поворачивается на 180 градусов от своего начального положения.
2. Сжатие. Дойдя до НМТ поршень продолжает свое движение. Меняя свое направление в ВМТ, в этот момент в цилиндре и происходит сжатие топливно-воздушной смеси. При подходе поршня к высшей точке фаза сжатия заканчивается. Коленчатый вал продолжает свое движения и поворачивается на 360 градусов. И на этом фаза сжатия закончена.
3. Рабочий ход. Воздушно-топливная смесь воспламеняется свечей зажигания, когда поршень находится в высшей точке цилиндра. При этом достигается максимальный момент сжатия. Затем поршень начинает двигаться к нижней точке цилиндра, так как на поршень оказывают огромное давление газы, образовавшиеся при горении воздушно-топливной смеси. Это движение и есть рабочий ход. При опускании поршня до НМТ фаза рабочего хода считается завершенной.
4. Удаления газов из камеры сгорания цилиндра. Поршень движется к высшей точке цилиндра, все это происходит при усилии, которое оказывает коленчатый вал газораспределительного механизма двигателя. При этом открывается выпускной клапан и поршень начинает избавлять камеру сгорания цилиндра от газов, которые образовались после сгорания топливно-воздушной смеси в камере сгорания цилиндра. После достижения высшей точки и освобождения ее от газов. Поршень начинает свое движение в низ. Когда поршень доходит да НМТ, то рабочая фаза удаления газов из камеры сгорания цилиндра считается законченной, а коленчатый вал совершает оборот на 720 градусов от своего начального положения.

Для точной работы клапанов газораспределительной системы происходит синхронизация с работой коленчатого вала двигателя.

Неисправности ГРМ

Основные неисправности газораспределительного механизма:

• Уменьшение компрессии и хлопки в трубопроводах. Как правило, происходит после появления нагара, раковин на поверхности клапана, их прогорания, причиной чего является не плотное прилегания впускных и выпускных клапанов к седлам. Также оказывают влияние такие факторы, как деформации ГБЦ, поломка или износ пружин, заедание клапанного стержня во втулке, полное отсутствие промежутка между коромыслом и клапанами.
• Уменьшение мощности, троение мотора, а также металлические стуки. Появляются эти признаки, потому что впускные и выпускные клапана не полностью открываются, и часть воздушно-топливной смеси не попадает в камеру сгорания цилиндра. Следствием этого является большой тепловой зазор или поломка гидрокомпенсатора, что и становится причиной неполадки и не штатной работы клапанов.
• Механический износ деталей, таких как: направляющих втулок коленвала, шестерни распредвала, а также смещение распредвала. Механический износ деталей, как правило, происходи при достаточном сроке работы мотора и работы двигателя в критических пределах.
• Так же происходит выход из строя двигателя по причине износа зубчатого ремня, который имеет свой гарантийный срок службы, цепи, которая при длительном сроке работы и постоянном на нее воздействии становится менее работоспособной, успокоителя цепи и натяжителя зубчатого ремня.

В данных случаях не редко заменяют газораспределительный механизм, однако возможен и ремонт поврежденной детали газораспределительного механизма.

Диагностика ГРМ

Газораспределительный механизм имеет 2 свойственные неполадки — неплотное примыкание клапанов к гнездам и невозможность полностью открыть клапаны.

Неплотное примыкание клапанов к гнездам обнаруживается по таким показателям: хлопки, возникающие иногда во впускной либо выпускной трубе, уменьшение мощности мотора. Факторами неплотного закрытия клапанов могут быть:

• возникновение нагара на поверхности клапанов и гнезд;
• формирование раковин на рабочих фасках и искривление головки клапана;
• неисправность пружин клапанов.

Неполное открытие клапанов сопровождается стуком в троящем моторе и уменьшением его мощности. Данная поломка возникает в следствии значительного промежутка меж стержнем клапана и носком коромысла. К характерным поломкам для ГРМ нужно причислить кроме того изнашивание шестерен распредвала, толкателей, направляющих клапана, смещение распредвала и изнашивание втулок и осей коромысел.

Практика демонстрирует, что на газораспределительный механизм приходится примерно четвертая часть всех отказов мотора, а уже на предотвращение этих отказов и восстановление ГРМ уходит 50% трудоёмкости обслуживания и ремонтных работ. Для диагностирования поломок применяют следующие параметры:

1. определяют фазы газораспределительного механизма автомобиля;
2. измеряют тепловой зазор между клапаном и коромыслом;
3. измеряют промежуток между клапаном и седлом.

Измерение фаз газораспределения

Подобное диагностирование ГРМ двигателя выполняется на заглушенном моторе с помощью особого набора устройств, среди которых имеются указатель, моментоскоп, малка-угломер и прочие дополнительные приборы. Для того, чтобы фиксировать период раскрытия впускного клапана на 1-ом цилиндре, необходимо покачивать вокруг своей оси коромысло, а далее направить коленвал мотора до момента появления зазора меж клапаном и коромыслом. Малка-угломер для замера разыскиваемого зазора ставится прямо на шкив коленвала.

Измерение теплового промежутка между клапаном и коромыслом

Тепловой зазор измеряют при помощи набора щупов либо иного особого устройства. Это набор из металлических пластинок длиной в 100мм, толщина которых обязана быть не больше 0,5мм. Коленвал мотора поворачивают вплоть до верхней предельной точки, в период такта сжатия подобранного для контроля цилиндра. Непосредственно благодаря щупам разной толщины, поочередно вставляемым в сформировавшееся отверстие, и измеряется зазор.

Данный метод не может дать результата при диагностировании ГРМ, когда неравномерен износ торца штока и бойка коромысла, а трудоемкость этого метода весьма значительная. Увеличить точность замеров позволяет особое устройство, которое состоит из корпуса и индикатора по типу часов. Подпружиненная подвижная рама содержит персональное соединение с ножкой этого индикатора. Раму фиксируют между коромыслом и клапанной пружиной. Когда открывается клапан, в период поворота коленвала, на индикаторе ставят 0. Распознает тепловой зазор последующее показание прибора, снимаемое в период поворота коленвала.

Определение промежутка между клапаном и седлом

Его можно оценить по объему воздуха, который будет выходить через уплотнитель перекрытых клапанов. Эта процедура прекрасно объединяется с чисткой форсунок. Когда они уже сняты, убирают валики коромысел и прикрывают все клапаны. Затем в камеру сгорания под большим давлением происходит подача сжатого воздуха. Поочередно на любом из контролируемых клапанов ставят устройство, которое позволяет измерить расход воздуха. Если потеря воздуха превысит разрешенную, выполняется ремонт газораспределительного механизма.

Процесс ремонта ГРМ

Частенько необходимо производить техническое обслуживание газораспределительного механизма. Основной проблемой являются износ шеек, кулачков вала и увеличение зазоров в подшипниках. Для того, чтобы устранить зазор в подшипниках коленчатого вала, производят его ремонт путем шлифовки опорных шеек и углубления канавок для подачи масла. Шейки нужно отшлифовать под ремонтный размер. После завершения ремонтных работ по восстановлению коленвала, нужно произвести проверку высоты кулачков.

На опорных поверхностях под шейки коленвала не должно быть никаких даже самых незначительных повреждений, а корпуса подшипников обязаны быть без трещин. После чистки и промывки распредвала обязательно нужно проверить зазор между его шейками и отверстием опоры головки цилиндра.

Для определения точного зазора требуется знать диаметр шейки распредвала, это позволит произвести установку соответствующего ей подшипника. Установив его на корпус, замерьте внутренний диаметр подшипника, затем отнимите его от диаметра шейки и таким образом найдете величину зазора. Он не может превышать 0,2мм.

Цепь не должна иметь никаких механических повреждений, быть растянутой более чем на 4мм. Цепь газораспределительного механизма можно регулировать: отверните стопорный болт на пол оборота, поверните коленвал на 2 оборота, затем стопорный болт нужно повернуть до упора.

Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Газораспределительный механизм (ГРМ) — назначение, конструкция и устройство, принцип работы, типы газораспределительных механизмов

Назначение и характеристика

Газораспределительным называется механизм, осуществляющий открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов двигателя.

Газораспределительный механизм (ГРМ) служит для своевременного впуска горючей смеси или воздуха в цилиндры двигателя и выпуска из цилиндров отработавших газов. В двигателях автомобилей применяются газораспределительные механизмы с верхним расположением клапанов. Верхнее расположение клапанов позволяет увеличить степень сжатия двигателя, улучшить наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом и упростить техническое обслуживание двигателя в эксплуатации. Двигатели автомобилей могут иметь газораспределительные механизмы различных типов (рисунок 1), что зависит от компоновки двигателя и, главным образом, от взаимного расположения коленчатого вала, распределительного вала и впускных и выпускных клапанов. Число распределительных валов зависит от типа двигателя.

Рисунок 1 – Типы газораспределительных механизмов, классифицированных по различным признакам

При верхнем расположении распределительный вал устанавливается в головке цилиндров, где размещены клапаны. Открытие и закрытие клапанов производится непосредственно от распределительного вала через толкатели или рычаги привода клапанов. Привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала с помощью роликовой цепи или зубчатого ремня.

Верхнее расположение распределительного вала упрощает конструкцию двигателя, уменьшает массу и инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей механизма и обеспечивает высокую надежность и бесшумность его работы про большой частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Цепной и ременный приводы распределительного вала также обеспечивают бесшумную работу газораспределительного механизма.

При нижнем расположении распределительный вал устанавливается в блоке цилиндров рядом с коленчатым валом. Открытие и закрытие клапанов производится от распределительного вала через толкатели штанги и коромысла. Привод распределительного вала осуществляется с помощью шестерен от коленчатого вала. При нижнем расположении распределительного вала усложняется конструкция газораспределительного механизма и двигателя. При этом возрастают инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей газораспределительного механизма. Число распределительных валов в газораспределительном механизме и число клапанов на один цилиндр зависят от типа двигателя. Так, при большем числе впускных и выпускных клапанов обеспечивается лучшие наполнение цилиндров горючей смесью и их очистка от отработавших газов. В результате двигатель может развивать большие мощность и крутящий момент. При нечетном числе клапанов на цилиндр число впускных клапанов на один клапан больше, чем выпускных.

Конструкция и работа газораспределительного механизма

Газораспределительные механизмы независимо от расположения распределительных валов в двигателе включают в себя клапанную группу, передаточные детали и распределительные валы с приводом.

В клапанную группу входят впускные и выпускные клапаны, направляющие втулки клапанов и пружины клапанов с деталями крепления.

Передаточными деталями являются толкатели, направляющие втулки толкателей, штанги толкателей, коромысла, ось коромысел, рычаги привода клапанов, регулировочные шайбы и регулировочные болты. Однако при верхнем расположении распределительного вала толкатели, направляющие втулки и штанги толкателей, коромысла и ось коромысел обычно отсутствуют.

На рисунке 2 представлен газораспределительный механизм двигателя с верхним расположением клапанов, с верхним расположением распределительного вала с цепным приводом и с двумя клапанами на цилиндр. Он состоит из распределительного вала 14 с корпусом 13 подшипников, привода распределительного вала, рычагов 11 привода клапанов, опорных регулировочных болтов 18 клапанов 1 и 22, направляющих втулок 4, пружин 7 и 8 клапанов с деталями крепления.

Рисунок 2 – Газораспределительный механизм легкового автомобиля с цепным приводом

1, 22 – клапаны; 2 – головка; 3 – стержень; 4, 20 – втулки; 5 – колпачок; 6 – шайбы; 7, 8, 17 – пружины; 9 – тарелка; 10 – сухарь; 11 – рычаг; 12 – фланец; 13 – корпус; 14 – распределительный вал; 15 – шейка; 16 – кулачок; 18 – болт; 19 – гайка; 21 – пластина; 23 – кольцо; 24, 27, 28 – звездочки; 25 – цепь; 26 – успокоитель; 29 – палец; 30 – башмак; 31 – натяжное устройство

Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Распределительный вал – пятиопорный, отлит из чугуна. Он имеет опорные шейки 15 и кулачки 16 (впускные и выпускные). Внутри вала проходит канал, через который подводится масло от средней опорной шейки к другим шейкам и кулачкам. К переднему торцу вала крепится ведомая звездочка 24 цепного привода. Вал устанавливается в специальном корпусе 13 подшипников, отлитом из алюминиевого сплава, который закреплен на верхней плоскости головки блока цилиндров. От осевых перемещений распределительный вал фиксируется упорным фланцем 12, который входит в канавку передней опорной шейки вала и прикрепляется к торцу корпуса подшипников.

Привод распределительного вала осуществляется через установленную на нем ведомую звездочку 24 двухрядной роликовой цепью 25 от ведущей звездочки 28 коленчатого вала. Этой цепью также вращается звездочка 27 вала привода масляного насоса. Привод распределительного вала имеет полуавтоматический натяжной механизм, состоящий из башмака и натяжного устройства. Цепь натягивается башмаком 30, на который воздействуют пружины натяжного устройства 31. Для гашения колебаний ведущей ветви цепи служит успокоитель 26. Башмак и успокоитель имеют стальной каркас с привулканизированным слоем резины. Ограничительный палец 29 предотвращает спадание цепи при снятии на автомобиле ведомой звездочки распределительного вала.

Клапаны открывают и закрывают впускные и выпускные каналы. Клапаны установлены в головке блока цилиндров в один ряд под углом к вертикальной оси цилиндров двигателя. Впускной клапан 1 для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью имеет головку большего диаметра, чем выпускной клапан. Он изготовлен из специальной хромистой стали, обладающей высокой износостойкостью и теплопроводностью. Выпускной клапан 22 работает в более тяжелых температурных условиях, чем впускной. Он выполнен составным. Его головку делают из жаропрочной хромистой стали, а стержень – из специальной хромистой стали.

Каждый клапан состоит из головки 2 и стержня 3. Головка имеет конусную поверхность (фаску), которой клапан при закрытии плотно прилегает к седлу из специального чугуна, установленному в головке блока цилиндров и имеющему также конусную поверхность.

Стержень клапана перемещается в чугунной направляющей втулке 4, запрессованной и фиксируемой стопорным кольцом 23 в головке блока цилиндров, обеспечивающей точную посадку клапана. На втулку надевается маслоотражательный колпачок 5 из маслостойкой резины. Клапан имеет две цилиндрические пружины: наружную 8 и внутреннюю 7. Пружины крепятся на стержне клапана с помощью шайб 6, тарелки 9 и разрезного сухаря 10. Клапан приводится в действие от кулачка распределительного вала стальным кованным рычагом 11, который опирается одним концом на регулировочный болт 18, а другим – на стержень клапана. Регулировочный болт имеет сферическую головку. Он ввертывается в резьбовую втулку 20, закрепленную в головке блока цилиндров и застопоренную пластиной 21, и фиксируется гайкой 19. Регулировочным болтом устанавливается необходимый зазор между кулачком распределительного вала и рычагом привода клапана, равный 0,15 мм на холодном двигателе и 0,2 мм на горячем двигателе (прогретом до 75…85 °C). Пружина 17 создает постоянный контакт между концом рычага привода и стержнем клапана.

Принцип работы

Газораспределительный механизм (ГРМ) работает следующим образом. При вращении распределительного вала его кулачки в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя поочередно набегают на рычаги 11. Рычаги, поворачиваясь одним концом на сферических головках регулировочных болтов 18, другим концом воздействуют на стержни клапанов, преодолевают сопротивление пружин 7, 8 и открывают клапаны. При дальнейшем повороте распределительного вала кулачки сходят с рычагов, которые возвращаются в исходное положение под действием пружин 17, а клапаны закрываются под действием пружин 7 и 8.

При работе двигателя распределительный вал вращается в два раза медленнее, чем коленчатый вал. Это связано с тем, что за период рабочего цикла двигателя, протекающего за два оборота коленчатого вала, впускной и выпускной клапаны каждого цилиндра должны открываться по одному разу.

Нормальная работа газораспределительного механизма (ГРМ) во многом зависит от теплового зазора между кулачками распределительного вала и рычагами привода клапанов. Этот зазор обеспечивает плотное закрытие клапанов при их удлинении в результате нагрева во время работы. При недостаточном тепловом зазоре или его отсутствии происходит неполное закрытие клапанов, что приводит к утечке газов, быстрому обгоранию фасок головок клапанов и снижению мощности двигателя.

Привод распределительного вала

Особенностью привода распределительного вала (рисунок 3) является применение ременной передачи. Привод распределительного вала осуществляется через установленный на нем зубчатый шкив 4 ремнем 5 от зубчатого шкива 1 коленчатого вала. С помощью этого ремня также вращается зубчатый шкив 8 вала привода масляного насоса.

Рисунок 3 – Ременный привод распределительного вала

1, 4, 8 – шкивы; 2 – болты; 3 – ролик; 5 – ремень; 6 – кронштейн; 7 – пружина

Ремень – зубчатый, изготовлен из резины, армированной стекловолокном. Зубья ремня имеют трапециевидную форму. Ремень натягивается с помощью натяжного ролика 3, закрепленного на кронштейне 6. Натяжение ремня регулируют пружиной 7 на неработающем двигателе при ослабленных болтах 2 крепления кронштейна натяжного ролика. Привод распределительного вала работает без смазки и снаружи закрыт тремя пластмассовыми крышками.

Газораспределительный механизм двигателя, представленный на рисунке 4, состоит из распределительного вала 2 с двумя корпусами 1 подшипников, привода распределительного вала, толкателей 4, регулировочных шайб 3, направляющих втулок 6, клапанов 7, пружин 5 клапанов с деталями крепления.

Рисунок 4 – Газораспределительный механизм (а) с верхним расположением распределительного вала и его привод (б):

1 – корпус; 2 – распределительный вал; 3 – шайба; 4 – толкатель; 5 – пружина; 6 – втулка; 7 – клапан; 8, 9, 11 – шкивы; 10 – ролик; 12 – ремень; 13 – ось

Распределительный вал чугунный, литой, пятиопорный. В задней части вала 2 находится эксцентрик для привода топливного насоса. Корпуса 1 подшипников распределительного вала отлиты из алюминиевого сплава. В них находятся верхние половины опор под шейки распределительного вала: две в переднем корпусе и три в заднем. Толкатели 4 клапанов – стальные, цилиндрические, передают усилия от кулачков распределительного вала на клапаны. В верхней части толкателей имеется гнездо для установки регулировочной шайбы. Регулировочные шайбы 3 – плоские, стальные, толщиной 3,00…4,25 мм с интервалом через каждые 0,05 мм. Подбором толщины этих шайб регулируется тепловой зазор между шайбой и кулачком распределительного вала. Клапаны 7 (впускной, выпускной) отличаются по конструкции и изготовлены из разных сталей. Впускной клапан имеет головку большего диаметра, чем выпускной. Он выполнен из хромоникельмолибденовой стали. Выпускной клапан – составной, сварен из двух частей. Головка клапана изготавливается из жаропрочной хромоникельмарганцовистой стали, а стержень – из хромоникельмолибденовой стали. Направляющие втулки 6 клапанов – чугунные, запрессовываются и фиксируются стопорными кольцами в головке блока цилиндров.

Пружины 5 (наружная, внутренняя) прижимают клапан к седлу и не дают ему отрываться от толкателя. Они также исключают возникновение резонансных колебаний деталей.

Привод распределительного вала производится через установленный на нем зубчатый шкив 11 ремнем 12 от зубчатого шкива 8 коленчатого вала. Этим же ремнем вращается зубчатый шкив 9 насоса охлаждающей жидкости. Ремень – зубчатый, резиновый, армирован стекловолокном. Зубья ремня имеют полукруглую форму. Ремень натягивается роликом 10, который вращается на эксцентриковой оси 13, установленной на шпильке, закрепленной в головке блока цилиндров. При повороте эксцентриковой оси относительно шпильки изменяется натяжение ремня. Привод распределительного вала работает без смазочного материала. Он закрыт двумя крышками – передней пластмассовой и задней стальной.

При вращении распределительного вала его кулачок набегает на шайбу 3 и толкатель 4. Толкатель действует на стержень клапана 7, преодолевает сопротивление пружин 5 и открывает клапан. При дальнейшем повороте кулачок сходит с толкателя, который возвращается в исходное положение под действием пружин 5, закрывающих клапан.

Газораспределительный механизм с нижним расположением распределительного вала

На рисунке 5 показан газораспределительный механизм двигателя с нижним расположением распределительного вала. Газораспределительный механизм верхнеклапанный, с шестеренным приводом и двумя клапанами на цилиндр.

Рисунок 5 – Газораспределительный механизм с нижним расположением распределительного вала

1 – распределительный вал; 2 – клапан; 3, 20 – втулки; 4 – пружина; 5 – коромысло; 6 – ось; 7 – винт; 8 – штанга; 9 – толкатель; 10, 11, 12 – шестерни; 13 – шейка; 14 – эксцентрик; 15 – кулачок; 16 – сухарь; 17, 19 – шайбы; 18 – колпачок

Механизм включает в себя распределительный вал 1, привод распределительного вала, толкатели 9, штанги 8 толкателей, регулировочные винты 7, ось 6 коромысел, коромысла 5, клапаны 2, направляющие втулки 3 клапанов и пружины 4 с деталями крепления.

Распределительный вал – стальной, кованый, имеет пять опорных шеек 13, кулачки 15 (впускные и выпускные), шестерню 12 привода масляного насоса и распределители зажигания, а также эксцентрик 14 привода топливного насоса. Вал установлен в блоке цилиндров двигателя на запрессованных биметаллических втулках, изготовленных из стали и покрытых изнутри слоем свинцовистого баббита.

Привод распределительного вала осуществляется через прикрепленную к его переднему концу ведомую шестерню 10, изготовленную из текстолита. Она находится в зацеплении с ведущей стальной шестерней 11, установленной на коленчатом валу. Обе шестерни выполнены косозубыми для уменьшения шума и обеспечения плавной работы. Передаточное отношение шестеренного привода – отношение числа зубьев ведущей шестерни к числу зубьев ведомой шестерни – равно 1:2, т.е. ведомая шестерня 10 имеет в два раза больше зубьев, чем ведущая шестерня 11. Это необходимо для того, чтобы за два оборота коленчатого вала распределительный вал совершал один оборот, обеспечивая за полный цикл двигателя открытие впускного и выпускного клапанов каждого цилиндра по одному разу.

Толкатели 9 служат для передачи усилия от кулачков распределительного вала к штангам 8. Они изготовлены из стали, и их торцы, соприкасающиеся с кулачками, выполнены сферическими и наплавлены отбеленным чугуном для уменьшения изнашивания. Внутри толкатели имеют сферические углубления для установки штанг. Толкатели перемещаются в направляющих отверстиях блока цилиндров.

Штанги 8 передают усилие от толкателей к коромыслам 5. Они изготовлены из алюминиевого сплава, и на их концы напрессованы стальные наконечники.

Коромысла 5 предназначены для передачи усилия от штанг к клапанам. Коромысла стальные, имеют неравные плечи для уменьшения высоты подъема толкателей и штанг, в их короткие плечи ввернуты винты 7 для регулирования теплового зазора. Коромысла установлены на втулках на полой оси 6, закрепленной в головке цилиндров.

Клапаны 2 изготовлены из легированных жаропрочных сталей. Для лучшего наполнения цилиндров двигателя горючей смесью диаметр головки у впускного клапана больше, чем у выпускного.

Пружины 4 изготовлены из рессорно-пружинной стали. Деталями их крепления являются шайбы 17 и 19, сухари 16 и втулки 20. Резиновые маслоотражательные колпачки 18, установленные на впускных клапанах, исключают проникновение масла через зазоры между направляющими втулками и стержнями впускных клапанов.

Работа механизма

Газораспределительный механизм (ГРМ) работает следующим образом. При вращении распределительного вала его кулачки поочередно набегают на толкатели 9 в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя. Усилие от толкателей 9 через штанги 8 передается к коромыслам 5, которые, поворачиваясь на оси 6, воздействуют на стержни клапанов 2, преодолевают сопротивление пружин 4 и открывают клапаны. При дальнейшем повороте распределительного вала кулачки сходят с толкателей, которые вместе со штангами и коромыслами возвращаются в исходное положение под действием пружин, закрывающих также клапаны.

Другие статьи по двигателю

Газораспределительный механизм двигателя — (ГРМ)

Главная » Двигатели » Газораспределительный механизм двигателя — принцип действия

просмотров 2 664

Многие слышали что такое газораспределительный механизм двигателя, но как работает ремень или цепь ГРМ и по какому алгоритму и принципу мало кому известно.

Самый сложный узел бензинового двигателя и почему ошибка в несколько градусов ремня газораспределительного механизма может сделать  работу двигателя совершенно неэффективным.

Газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания по праву считается самым сложным и капризным узлом. Нормальная работа двигателя во многом зависит от точности и стабильности его работы. Сложные задачи регулировки газового обмена, правильного распределения фаз выпуска продуктов горения и наполнения новой смесью обеспечиваются целым набором хитроумных приспособлений и механизмов.

По важности работу газораспределительного механизма можно назвать вторым мозгом или диспетчерским центром управления потоками энергии.

Принципы работы — Газораспределительный механизм

Казалось бы, простая, в теории, задача – обеспечить своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов на практике превращается в непростую и противоречивую систему. Отточенные механические расчеты на практике корректируются поправками на переходные процессы движения воздуха из-за его высокой инертности. Способность горячих выхлопных газов в процессе движения менять свои теплофизические свойства заставляют применять теоретически нерациональные решения.

Главными факторами, влияющими на качество и степень наполнения камеры сгорания ДВС являются момент закрытия впускных клапанов и момент их закрытия.

Момент закрытия впускного клапана от инерциального напора воздуха, движущегося по впускному коллектору в камеру сгорания. Чем выше напор, тем лучше и быстрее наполняется рабочий объем, тем раньше может закрыться впускной клапан.

Давление потока воздушно-топливной смеси во впускном коллекторе из-за высокой скорости ниже атмосферного. Если сравнить параметры выхлопного потока горячих газов – можно сказать, что их давление температура и скорость на порядок выше параметров впускного потока. Это значит, что через одинаковое поперечное сечение окна клапана выхлопные газы покинут рабочий объем намного быстрее, чем, эквивалентная по объему, новая порция холодной смеси воздуха и топлива наполнит камеру сгорания.

С целью использования компрессионного эффекта выхлопных газов выпускные клапана закрывают с небольшим опозданием. Благодаря этому создается эффект, когда выпускной и впускной клапана открыты одновременно. Покидающие рабочий объем выхлопные газы с высокой скоростью обтекают днище камеры сгорания и тем самым создают дополнительное разрежение, помогающее свежей смеси наполнять камеру. Но подобный эффект хорошо работает только при высоких оборотах двигателя.

На малых оборотах закрытие выпускного клапана с задержкой во времени приводит к частичному перетеканию выхлопных газов в область всасывающего тракта, снижая тем самым качество наполнения камеры сгорания. Основную часть времени двигатель работает в диапазоне средних оборотов, при которых оптимальное время закрытие выпускного клапана находится где-то в промежуточном значении приведенных выше случаях. Именно для средних оборотов оптимизируются фазы и время закрытия клапанов. При понижении или повышении оборотов оптимальное значение времени закрытия уже не будет соответствовать заложенному в параметрах газораспределительного механизма (ГРМ).

Поэтому в современных двигателях уже стало обыденным явлением применение систем управления фазами открытия и закрытия клапанов. Значительное усложнение газораспределительного механизма двигателя с лихвой компенсируется повышением эффективного КПД двигателя.

Огромное значение на эффективность и экономичность ДВС оказывает правильная установка времени и длительности открытия выпускного клапана. С момента его открытия завершается процесс расширения продуктов сгорания, от того насколько поздно будет начат выброс выхлопных газов из рабочего пространства зависит степень расширения газов теплового цикла.

Хорошо известный цикл Аткинсона, применяемый американскими инженерами в 50-х годах прошлого века, использовал очень позднее открытие выпускных клапанов. Благодаря чему степень расширения газов достигала 12-14, вместо 9-10 характерных для современных двигателей, с увеличенным на 15% коэффициентом полезного действия. Но литровая мощность (мощность с 1 литра рабочего объема) двигателей с циклом Аткинсона значительно уступала даже обычным серийным образцам двигателей.

Из-за своей высокой экономичности двигатели с циклом Аткисона широко применялись в первых гибридных образцах автомобилей. Так, например, в первых, уже легендарных моделях гибрида Toyota Prius, в качестве привода ДВС, использовался низкооборотистый двигатель с объемом в 1,4 литра, мощностью в 54 л.с., с КПД почти в 28%.

Цепь и ремень газораспределительного механизма двигателя

Многие задаются вопросом в чем отличие ремня и цепи газораспределительного механизма, все очень просто.

Ремень газораспределения менее надежен, но у него низкий коэффициент шума, то есть двигатель работает гораздо тише, и ремень требуется менять каждые 60 — 120 тысяч километров, для каждой модели установлен свой пробег заводом изготовителем. Разрабатываются и усовершенствуются двигатели с ремнем газораспределения, так создан ремень газораспределительного механизма работа которого происходит в газа-масляной среде, с распылением масла форсунками непосредственно на него.

Цепь газораспределительного механизма более надежна и шумна, и имеет гораздо больший ресурс пробега, но по мере эксплуатации автомобиля имеет свойство при больших нагрузках растягиваться.

Так же вы можете прочитать про замену цепи и ремня ГРМ

Проголосуйте, понравилась ли вам статья? Загрузка…

Фазы и механизм газораспределения двигателя

Термин «фаза» означает часть, этап или ступень какого-то процесса. Поэтому впускная и выпускная фазы газораспределения – часть полного цикла работы двигателя внутреннего сгорания. Прочитав статью, вы узнаете, что происходит во время фаз, каким образом двигатель регулирует их и на что влияют фазы газораспределения.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Воспламенение топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя приводит к выделению выхлопных газов и увеличению температуры. Во время такта сжатия поршень движется к верхней мертвой точке (ВМТ) сжимая топливовоздушную смесь или воздух (дизельный двигатель).

Воспламенение происходит незадолго до ВМТ. В бензиновом двигателе топливовоздушную смесь воспламеняет искра свечи зажигания. В дизельном моторе в раскаленный от сжатия воздух впрыскивают распыленное топливо. Когда поршень приближается к нижней мертвой точке (НМТ), наступает выпускная фаза газораспределения. Выпускной клапан открывается и поднимающийся к ВМТ поршень выдавливает из цилиндра продукты горения топливовоздушной смеси. Когда поршень подходит к ВМТ заканчивается фаза выпуска и начинается фаза впуска. Поршень движется в ВМТ, в цилиндре возникает разряжение, благодаря которому воздух засасывает внутрь камеры сгорания. После достижения ВМТ фаза впуска завершается и начинается такт сжатия.

Устройство механизма газораспределения

Газораспределительный механизм (ГРМ) состоит из:

• одного или двух кулачковых распределительных валов, на каждый из которых установлена своя шестерня;
• шестерни коленчатого вала;
• цепного или ременного привода.

Число зубьев шестерни распределительного вала всегда в 2 раза больше, чем у шестерни коленчатого вала.

Благодаря этому за два оборота коленчатого вала происходит лишь один оборот распределительного вала. Это позволяет открывать и закрывать клапаны головки блока цилиндров (ГБЦ) в зависимости от такта двигателя. Фазы газораспределения зависят от расположения кулачков распределительного вала. Поэтому на одновальных двигателях возможна только одновременная регулировка фаз впуска и выпуска. На двухвальных двигателях возможна раздельная регулировка фазы впуска и фазы выпуска. Это позволяет оптимизировать работу двигателя под различные режимы.

Когда кулачок распределительного вала доходит до клапана, то начинает давить на него до тех пор, пока клапан полностью не откроется. Затем кулачок проходит дальше и пружина начинает выдавливать клапан, стремясь закрыть его. Как только давление со стороны распределительного вала исчезает, пружина полностью закрывает клапан. Угол поворота распределительного вала, в течение которого впускные или выпускные клапаны одного цилиндра открыты и называется фазой газораспределения.

На что влияют фазы ГРМ

В двигателях современных бюджетных автомобилей не предусмотрена автоматическая регулировка фаз газораспределения, поэтому они настроены на средний режим работы. Форма кулачков распределительных валов таких двигателей рассчитана на максимальное наполнение и освобождение цилиндров при скорости вращения, близкой к максимальному крутящему моменту. Обычно он расположен между 2/3 и 3/4 от максимальных оборотов. Поэтому такой двигатель «плохо тянет» на оборотах ниже половины от максимальных.

Почему так происходит? Чем выше обороты двигателя, тем быстрей движутся поршни. В результате давление внутри цилиндра во время фазы выпуска возрастает, но пропускная способность выпускного клапана не меняется. Во время фазы впуска поршень движется быстрей, чем на холостых оборотах, но пропускная способность клапана не меняется. Поэтому чем выше обороты двигателя, тем хуже наполнение цилиндров. Поэтому нередко фазы выпуска и выпуска пересекаются. В то время когда выпускной клапан закрывается, но еще открыт, начинает открываться впускной клапан.

На холостых и низких оборотах часть топлива, которая поступает в двигатель, уходит в выхлопную трубу. Это снижает мощность и экономичность двигателя. По мере роста оборотов влияние этого эффекта слабеет. Поэтому чем выше обороты двигателя, тем длинней должны быть фазы газораспределения. Это позволит избежать снижения мощности мотора.

Если сдвинуть фазы газораспределения от оптимальной точки, то произойдет резкое падение мощности мотора. Ведь цилиндры будут или не до конца освобождаться от выхлопных газов или не до конца наполняться топливовоздушной смесью. Однако оптимальная точка начала фазы и ее продолжительность зависят от нагрузки на мотор и оборотов двигателя. Поэтому тюнинговые мастерские и умелые автомобилисты устанавливают вместо штатной шестерни распределительного вала разрезную шестерню, с помощью которой можно сдвигать фазу на угол до 10 градусов. Также используют тюнинговые распределительные валы, рассчитанные на различные режимы и нагрузки. Те, кто предпочитает ездить на максимальной скорости, устанавливают валы с максимальными фазами впуска и выпуска. Те же, кто ездит на средних оборотах двигателя, избегая резких стартов и больших скоростей, ставят валы с чуть уменьшенными фазами.

Регулятор фаз газораспределения

Существует большое количество моделей фазорегуляторов, которые работают по различным алгоритмам. Однако, общий принцип неизменен. Когда двигатель работает на низких оборотах, фазорегулятор сокращает впускную и выпускную фазы. Это позволяет сократить расход топлива.

Когда двигатель начинает работать на высоких оборотах или под нагрузкой, регулятор увеличивает продолжительность фаз, а нередко и точку их начала. Это позволяет не только увеличить мощность и крутящий момент, но и снижает расход топлива. Наиболее популярны модели фазорегуляторов, которые работают на основе центробежного принципа. Чем выше обороты двигателя, тем сильней они натягивают цепь или ремень привода ГРМ, тем самым сдвигая и фазы газораспределения. Благодаря тому, что эти устройства регулируют натяжение ремня или цепи со стороны обоих распределительных валов, они эффективно сдвигают обе фазы. Такие фазорегуляторы не требуют настройки, однако после пробега в 40-70 тысяч километров необходимо менять уплотнительные кольца гидроцилиндров.

Более сложные регуляторы представляют собой систему из датчиков, контроллера двигателя и исполнительных устройств. Однако, принцип их работы точно такой же, как у центробежных. Исполнительное устройство увеличивает или ослабляет натяжение цепи со стороны впускного и выпускного валов. Благодаря этому каждая фаза регулируется отдельно. Такие системы требуют настройки и регулярной проверки. Благодаря тому, что исполнительные механизмы работают от электричества, нет необходимости в регулярной замене уплотнительных колец. Существуют также системы, в которых электронное управление совмещено с гидравлическим приводом. В таких системах регулировка происходит не за счет натяжения цепи, а с помощью увеличения давления внутри шестерни распределительного вала.

Чем выше давление, тем дальше гидропривод проворачивает распределительный вал относительно положения шестеренки.

Как установить фазы газораспределения

На большинстве современных автомобилей, оснащенных механическим ГРМ, фазы газораспределения выставляют одинаково. По ВМТ первого цилиндра. Для этого на корпусе блока цилиндров и ГБЦ, а также на шестернях распределительного и коленчатого валов нанесены специальные метки. В первую очередь совмещают метки коленчатого вала. Затем совмещают метки распределительного (распределительных) валов. После этого надевают и натягивают цепь или ремень, затем проверяют метки. Если метки на месте, коленчатый вал прокручивают 2 или 4 раза и снова проверяют метки. Если метки шестерней распределительного и коленчатого валов совпадают с метками на блоке цилиндров и ГБЦ, то фазы выставлены правильно. Если отличаются, необходимо снять цепь или ремень и повторить все операции. 

Газораспределительный механизм

Изобретение может быть использовано в газораспределительных механизмах двигателей внутреннего сгорания. Газораспределительный механизм содержит распределительный вал (1) с кулачками (2) и рычажный механизм привода клапанов (3). На стержнях клапанов (3) размещены стопорные кольца (8), пружины (10) и подвижные кольца (9). Клапанные пружины (6) размещены под нижними поверхностями рычагов (7). При вращении распределительного вала (1) кулачок (2) набегает на верхнюю поверхность рычага (7). Рычаг (7), поворачиваясь на оси (4), размещенной в стойке (5), опускается, преодолевая сопротивление клапанной пружины (6). Толкающий конец рычага (7) охватывает стержень клапана (3) посредством воздействия на стопорное кольцо (8), жестко связанное со стержнем клапана (3). Толкающий конец рычага (7) открывает клапан (3). При дальнейшем вращении распределительного вала (1) кулачок (2) сбегает с рычага (7). Рычаг (7) под воздействием обратного хода клапанной пружины (6) поднимается. Рычаг (7), толкающим концом воздействуя посредством подвижного кольца (9) и пружины (10) на стопорное кольцо (8), закрывает клапан (3). Технический результат заключается в уменьшении интенсивности износа контактирующих поверхностей деталей газораспределительного механизма и ремня его привода, снижение величины рабочего хода клапанной пружины, повышении частоты оборотов ДВС и повышения мощности ДВС. 2 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к газораспределительному устройству механизма (ГРМ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Аналогами настоящего изобретения являются ГРМ, размещенные в головке блока цилиндров ДВС с верхним расположением распределительного вала, с рычажным приводом клапанов.

В качестве прототипа настоящего изобретения принимается устройство ГРМ автомобиля ВАЗ 2106., он состоит из распределительного вала, снабженного кулачками, рычагов, регулировочных болтов и пружин. Работает этот механизм следующим образом: при вращении распределительного вала его кулачки набегают на рычаги, которые поворачиваясь на опорах регулировочных болтов, воздействуют на торцы клапанов, открывают их, преодолевая сопротивление клапанных пружин. При дальнейшем повороте распределительного вала кулачки сходят с рычагов и клапаны закрываются под воздействием обратного хода пружин.

Недостатками механизма являются: возможность повреждения ГРМ при обрыве ремня привода распределительного вала и зависание клапанов, ограничивающее частоту оборотов ДВС, а также тепловой зазор между толкающими концами клапанов и торцами клапанов, необходимость регулирования теплового зазора в процессе эксплуатации ГРМ, большие удельные давления на контактирующие поверхности деталей ГРМ.

Указанные недостатки не позволяют увеличивать срок эксплуатации ГРМ и повысить мощность ДВС.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков. Поставленная цель достигается реализацией изложенных ниже предложений:

1. Размещением рычагов на стойках посредством осей.

2. Выполнением толкающих концов рычагов охватывающих стержни клапанов.

3. Размещение клапанных пружин под нижними поверхностями рычагов для уменьшения рабочего хода.

4. Размещением на стержнях клапанов стопорных колец, подвижных колец и пружин

5. Включением в конструкцию ГРМ не регулируемого зазора.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где в схемном исполнении показано: на фиг. 1-чертеж- схема варианта предлагаемого ГРМ, на фиг. 2 -вид А — А фиг. 1.

На фиг. 1 обозначено: h — высота подъема клапана, s — нерегулируемый зазор.

Предлагаемое устройство содержит: распределительный вал 1, кулачок 2 распределительного вала, клапаны 3, оси 4, стойки 5, клапанные пружины 6, рычаги 7, стопорные кольца 8, подвижные кольца 9, пружины 10.

Работает предлагаемое устройство ГРМ следующим образом: при вращении, распределительного вала 1, его кулачки 2 набегают на рычаги 7, которые поворачиваясь на осях 4, размещенных на стойках 5, опускаются преодолевая сопротивление клапанных пружин 6, размещенных под рычагами 7. При этом толкающие концы рычагов воздействуют на стопорные кольца 8, жестко связанные со стержнями клапанов 3 и открывают клапаны. При дальнейшем вращении распределительного вала его кулачки сбегают с рычагов которые поворачиваясь на осях 4 поднимаются под воздействием обратного хода клапанных пружин и своими толкающими концами воздействуя на стопорные кольца 8, жестко связанное со стержнями клапанов, посредством подвижных колец 9 и пружин 10, размещенных на стержнях клапанов, закрывают клапанные. При полном закрытии клапанов между стопорными кольцами и толкающими концами рычагов образуются зазоры S. Необходимые для плотного закрытия клапанов при достаточной жесткости пружины 10

Предлагаемое устройство ГРМ позволяет уменьшить интенсивность износа контактирующих поверхностей деталей ГРМ и ремня его привода, повышение частоты оборотов ДВС и его мощности.

Газораспределительный механизм, содержащий распределительный вал с кулачками, рычажный механизм привода клапанов, отличающийся тем, что на стержнях клапанов, размещены стопорные кольца, пружины и подвижные кольца, а клапанные пружины размещены под нижними поверхностями рычагов, на верхнюю поверхность каждого из которых при вращении распределительного вала набегает кулачок распределительного вала, при этом рычаг, поворачиваясь на оси, размещенной в стойке, опускается, преодолевая сопротивления клапанной пружины, а его толкающий конец, охватывающий стержень клапана посредством воздействия на стопорное кольцо, жестко связанное со стержнем клапана, открывает клапан, а при дальнейшем вращении распределительного вала его кулачок сбегает с рычага, который под воздействием обратного хода клапанной пружины поднимается и толкающим концом, воздействуя посредством подвижного кольца и пружины, размещенных на стержне клапана на стопорное кольцо, жестко связанное со стержнем клапана, закрывает клапан.

Зачем менять фазы газораспределения — ДРАЙВ

Качество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.

В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.

В большинстве современных двигателей фазы меняться не могут. И работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопа) в цилиндре, а также во впускном и выпускном трактах меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы.

Фазы газораспределения в поршневых двигателях внутреннего сгорания — это моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (окон). Фазы газораспределения обычно выражаются в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов.

Так, например, для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.

Тюнеры часто мудрят со сдвигом фаз при помощи таких сборных звёздочек. Заменив штатный распредвал на «спортивный» с другими фазами, можно добиться существенной прибавки мощности.

При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.

Хондовская VTEC (Variable Valve Timing and Electronic Control) так же, как и тойотовская VVT-I (Variable Valve Timing with intelligence), позволяет плавно изменять фазы газораспределения фазовращателем с гидравлическим управлением. Это достигается путём поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных клапанов в диапазоне 40—60° (по углу поворота коленчатого вала).

Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Вот так задачка!

Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими.

Doppel-VANOS (Doppel Variable Nockenwellen Steuerung) от BMW умеет двигать фазы плавно от начального до конечного значения. При помощи гидравлики система заведует как процессами впуска, так и выпуска.

А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них — применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах.

Механизм газораспределения 3,2-литровой «шестёрки» FSI от Audi приводится цепями со стороны маховика. У каждого распределительного вала свой фазовращатель.

Но неуёмные инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами. Например, в тойотовской системе VVTL-i после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000—6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении.

Система Valvetronic позволила отказаться от дроссельной заслонки, система меняет и степень открытия клапанов и фазы. Применяется она на моторах BMW с 2001 года. Ход клапана меняется при помощи электродвигателя и сложной кинематической схемы и пределах 0,2–12 мм.

Изменять момент и продолжительность открытия — это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).

Аналогичная система от немецкой компании Mahle.

Чем вредна заслонка? Она ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно приводит? К большой инертности разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшению качества наполнения цилиндра свежим зарядом, снижению отдачи и уменьшению скорости отклика на нажатие педали газа.

Система Variable Valve Event and Lift System (VEL), разработанная Ниссаном, напоминает баварский Valvetronic. Специальный эксцентрик, который приводится от электродвигателя, смещает точку опоры коромысла, и за счёт этого изменяет ход клапана. Высота подъёма варьируется в пределах 0,5–2 мм.

Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения нужного наполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По разным данным, экономия от применения системы бездроссельного управления может составлять от 8% до 15%, прирост мощности и момента в пределах 5—15 %. Но и это не последний рубеж.

Так работает «трёхступенчатый» i-VTEC (Intelligent Variable Valve Timing and Lift Electronic Control). На низкой частоте вращения топливо экономится благодаря тому, что половина впускных клапанов практически дезактивирована. При переходе на средние обороты ранее «дремавшие» клапаны включаются в работу, но их амплитуда не максимальна. На мощностных режимах впускные клапаны начинают работать от единственного центрального кулачка. Он обеспечивает максимальный подъём клапанов, кроме того, его профиль специально заточен под мощностные режимы. Управление режимами осуществляется гидравликой и электроникой.

Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.

Осенью 2007 года Toyota запустит в производство моторы с газораспределительным механизмом Valvematic, который будет изменять не только фазы газораспределения, но и высоту подъёма впускных клапанов. Не секрет, что многие производители достаточно давно применяют подобные системы. Но Toyota в серию такую систему запускает впервые. Мощность двухлитрового атмосферника 1AZ-FE, благодаря новому газораспределительному механизму, удалось поднять со 152 до 158 сил, а момент — с 194 до 196 Нм.

В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы — прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?

А это схема работы механизма VVTL-i, предложенная компанией Toyota. Здесь высота подъёма и продолжительность открытия обоих впускных клапанов изменяются скачкообразно. При работе двигателя на частотах вращения коленчатого вала до 6000 об/мин высота подъёма и продолжительность открытия обоих клапанов задаются кулачком (1), который через рокер (5) воздействует на оба клапана. На оборотах выше 6000 закон движения клапанов задаётся более высоким кулачком (2). Чтобы ввести его в строй, нужно переместить сухарь (3) вправо (сухарь перемещается под давлением масла, которое в нужный момент повышается в управляющей магистрали). После того как сухарь переместился вправо, кулачок (2) через шток (4), который до этого времени свободно качался, начинает воздействовать на клапаны через рокер.

Опытный образец четырёхцилиндрового мотора с электромагнитным приводом клапанов и непосредственным впрыском был создан компанией BMW. Здесь количество воздуха, поступающего в цилиндр, регулируется продолжительностью открытия клапана, ход при этом не регулируется. Якорь подпружиненного клапана помещён между двумя мощными электромагнитами, которые призваны удерживать его только в крайних положениях. Чтобы предотвратить ударные нагрузки, каждый раз при приближении к крайнему положению клапан тормозится. Положение и скорость перемещения клапана фиксируются специальным датчиком.

Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это — уже совсем другой разговор.

Как работает система доставки природного газа?

Как работает система доставки природного газа?

Как работает система доставки природного газа?

Перетекание газа от более высокого давления к более низкому — фундаментальный принцип системы подачи природного газа. Величина давления в трубопроводе измеряется в фунтах на квадратный дюйм.

Из колодца природный газ поступает в «сборные» линии, которые похожи на ветки на дереве, увеличиваясь по мере приближения к центральной точке сбора.

Системы сбора

Системе сбора может потребоваться один или несколько полевых компрессоров для перемещения газа в трубопровод или на перерабатывающий завод. Компрессор — это машина, приводимая в действие двигателем внутреннего сгорания или турбиной, которая создает давление, чтобы «протолкнуть» газ по трубопроводам. Большинство компрессоров в системе подачи природного газа используют небольшое количество природного газа из собственных трубопроводов в качестве топлива.

Некоторые системы сбора природного газа включают установку для обработки, которая выполняет такие функции, как удаление примесей, таких как вода, диоксид углерода или сера, которые могут вызвать коррозию трубопровода, или инертных газов, таких как гелий, которые могут снизить энергетическую ценность газа.Перерабатывающие предприятия также могут удалять небольшие количества пропана и бутана. Эти газы используются в качестве исходного химического сырья и в других целях.

Система передачи

Из системы сбора природный газ поступает в систему передачи, которая обычно состоит из трубопровода из высокопрочной стали протяженностью около 272 000 миль.

Эти большие линии электропередачи для природного газа можно сравнить с национальной системой автомагистралей между штатами. Они перемещают большие объемы природного газа за тысячи миль от регионов добычи в местные распределительные компании (НРС).Давление газа в каждой секции трубопровода обычно составляет от 200 до 1500 фунтов на квадратный дюйм, в зависимости от типа области, в которой работает трубопровод. В качестве меры безопасности трубопроводы спроектированы и построены так, чтобы выдерживать гораздо большее давление, чем когда-либо фактически достигается в системе. Например, трубопроводы в более густонаселенных районах работают менее чем на половину своего расчетного уровня давления.

Многие крупные межгосударственные трубопроводы являются «кольцевыми» — есть две или более линий, идущих параллельно друг другу на одной полосе отчуждения.Это обеспечивает максимальную производительность в периоды пикового спроса.

Компрессорные станции

Компрессорные станции

расположены примерно через каждые 50-60 миль вдоль каждого трубопровода, чтобы повысить давление, которое теряется из-за трения природного газа, движущегося по стальной трубе. Многие компрессорные станции полностью автоматизированы, поэтому оборудование можно запускать или останавливать из центральной диспетчерской трубопровода. В диспетчерской также можно дистанционно управлять запорными клапанами в системе передачи.Операторы системы хранят подробные рабочие данные по каждой компрессорной станции и постоянно корректируют набор работающих двигателей, чтобы обеспечить максимальную эффективность и безопасность.

Природный газ движется по транспортной системе со скоростью до 30 миль в час, поэтому доставка газа из Техаса в пункт приема коммунальных услуг на северо-востоке занимает несколько дней. Попутно существует множество взаимосвязей с другими трубопроводами и другими инженерными системами, что дает системным операторам большую гибкость при транспортировке газа.

Линейный пакет

50-мильный участок 42-дюймовой линии электропередачи, работающий при давлении около 1000 фунтов, содержит около 200 миллионов кубических футов газа — этого достаточно для питания кухонной плиты более 2000 лет. Количество газа в трубе называется «линейным пакетом».

Повышая и понижая давление на любой сегмент трубопровода, трубопроводная компания может использовать этот сегмент для хранения газа в периоды, когда спрос на конце трубопровода меньше.Использование Linepack таким образом позволяет операторам трубопроводов очень эффективно справляться с почасовыми колебаниями спроса.

Трубопроводы природного газа и коммунальные службы используют очень сложные компьютерные модели потребительского спроса на природный газ, которые связывают суточные и почасовые тенденции потребления с сезонными и экологическими факторами. Вот почему клиенты могут положиться на надежность природного газа — когда он нужен, он есть.

Выходы

Когда природный газ по магистральному трубопроводу достигает местного газового предприятия, он обычно проходит через «затворную станцию».«Коммунальные предприятия часто имеют шлюзовые станции, принимающие газ из разных мест и из нескольких разных трубопроводов. Затворные станции служат трем целям. Во-первых, они снижают давление в линии с уровней передачи (200–1 500 фунтов) до уровней распределения, которые варьируются от ¼ фунта до 200 фунтов. Затем добавляется одорант, характерный кислый запах, связанный с природным газом, чтобы потребители могли почувствовать запах даже небольшого количества газа. Наконец, шлюзовая станция измеряет расход газа, чтобы определить полученное количество утилитой.

Система распределения

От шлюзовой станции природный газ поступает в распределительные линии или «магистрали» диаметром от 2 дюймов до более 24 дюймов. Внутри каждой распределительной системы есть секции, которые работают при разном давлении, с регуляторами, контролирующими давление. Некоторые регуляторы дистанционно управляются коммунальным предприятием для изменения давления в частях системы для оптимизации эффективности. Вообще говоря, чем ближе природный газ к потребителю, тем меньше диаметр трубы и ниже давление.

Как правило, центральный центр управления газовой компанией непрерывно контролирует расход и давление в различных точках своей системы. Операторы должны гарантировать, что газ достигнет каждого потребителя с достаточной скоростью потока и давлением для заправки оборудования и приборов. Они также гарантируют, что давление остается ниже максимального давления для контролируемых секций внутри системы. Линии распределения обычно работают при давлении менее одной пятой от расчетного.

По мере прохождения газа через систему регуляторы регулируют поток от более высокого до более низкого давления.Если регулятор обнаруживает, что давление упало ниже заданного значения, он соответственно откроется, чтобы пропустить больше газа. И наоборот, когда давление поднимается выше заданного значения, регулятор закрывается для регулировки. В качестве дополнительной меры безопасности на трубопроводах устанавливаются предохранительные клапаны для выпуска газа в атмосферу, где это необходимо.

Сложные компьютерные программы используются для оценки пропускной способности сети и обеспечения того, чтобы все клиенты получали достаточные запасы газа при минимальном уровне давления или выше, требуемом для их газовых приборов.

Распределительные сети соединены между собой в несколько схем сети со стратегически расположенными запорными клапанами. Эти клапаны сводят к минимуму необходимость прерывания обслуживания заказчиком во время операций по техническому обслуживанию и в аварийных ситуациях.

Подача природного газа в дом

Природный газ проходит из магистрали в дом или офис по так называемой линии обслуживания. Как правило, коммунальное предприятие, занимающееся природным газом, несет ответственность за техническое обслуживание и эксплуатацию газопровода и объектов вплоть до счетчика газа в жилых домах.Ответственность за все оборудование и линии газоснабжения после бытового счетчика лежит на заказчике.

Когда газ достигает счетчика потребителя, он проходит через другой регулятор давления, чтобы при необходимости снизить его давление до менее фунта. По некоторым коммуникационным линиям идет газ, который уже находится под очень низким давлением. Это нормальное давление для природного газа в бытовой трубопроводной системе, которое меньше давления, создаваемого ребенком, надувающим пузыри через соломинку в стакане с молоком.Когда газовая печь или плита включена, давление газа немного выше, чем давление воздуха, поэтому газ выходит из горелки и воспламеняется своим знакомым чистым голубым пламенем.

Центр обработки данных по альтернативным видам топлива: Распределение природного газа

Сеть газопроводов США

Источник: EIA

В Соединенных Штатах имеется обширная система трубопроводов природного газа, по которым можно быстро и экономично распределять природный газ практически в любое место в 48 штатах с низкими ценами.Газ распределяется по магистральным трубопроводам длиной 305 000 миль (см. Карту), а еще 2,2 миллиона миль по распределительным трубам транспортируют газ в пределах зон коммунальных услуг. Система распределения также включает тысячи точек доставки, получения и соединения; сотни складских помещений; и около 50 пунктов экспорта и импорта природного газа.

В дополнение к распределению через разветвленную сеть трубопроводов страны, возобновляемый природный газ (ГСЧ) может распределяться на производственных площадках, таких как свалки или очистные сооружения с возможностью очистки и повышения качества биогаза (газообразный продукт разложения органических веществ. ).Как и обычный природный газ, ГСЧ может быть сжат или сжижен для использования в транспортных средствах.

Распределение сжатого природного газа

Подавляющая часть поставок сжатого природного газа (КПГ) в стране распределяется через установленную систему распределения природного газа.

Большинство заправочных станций природного газа заправляют КПГ, который обычно сжимается на месте. КПГ используется в автомобилях малой, средней и большой грузоподъемности.

Чтобы найти это топливо, см. Расположение заправочных станций КПГ.

Распределение сжиженного природного газа

Сжиженный природный газ, или СПГ, необходимо переохлаждать и хранить в жидкой форме при температуре -260 ° F перед обратным преобразованием в газ. СПГ должен быть в газообразной форме, прежде чем он попадет во внутреннюю трубопроводную систему распределения и в конечном итоге будет доставлен конечному пользователю. СПГ можно использовать в транспортных средствах, хотя автомобили, работающие на СПГ, более распространены.

В то время как большинство заправочных станций природного газа в США заправляют КПГ, доступно ограниченное количество заправочных станций СПГ.Многие пользователи СПГ — это автопарки, которые имеют частную заправочную инфраструктуру для своих транспортных средств; однако в последние годы открылись также многочисленные общественные заправочные станции СПГ. Крупные предприятия по сжижению природного газа обеспечивают СПГ-топливо для транспортировки по всей стране, и СПГ необходимо доставлять на станции грузовиками.

Чтобы найти это топливо, см. «Расположение заправочных станций СПГ».

»Распределение природного газа NaturalGas.org

Распределение природного газа

Распределение — последний шаг в доставке природного газа потребителям.В то время как некоторые крупные промышленные, коммерческие и электроэнергетические потребители получают природный газ напрямую из межгосударственных и внутригосударственных трубопроводов большой мощности (обычно заключаемые через маркетинговые компании природного газа), большинство других пользователей получают природный газ от своей местной газовой компании, также называемой местной распределительной компанией. (LDC). НРС — это регулируемые коммунальные предприятия, занимающиеся поставкой природного газа потребителям в определенной географической зоне. Есть два основных типа газовых компаний: компании, принадлежащие инвесторам, и государственные газовые системы, принадлежащие местным органам власти.

Установка распределительной трубы малого диаметра

Источник: Duke Energy Gas Transmission Canada

Местные распределительные компании обычно транспортируют природный газ из точек доставки, расположенных на межгосударственных и внутригосударственных газопроводах, в домохозяйства и предприятия по распределительным трубам малого диаметра на тысячи миль. Пункт доставки, в котором природный газ перекачивается из магистрального трубопровода в местное газовое предприятие, часто называют «воротами города», и он является важным рыночным центром для ценообразования на природный газ в крупных городских районах.Как правило, коммунальные предприятия получают природный газ в собственность у городских ворот и поставляют его на счетчик каждого отдельного потребителя. Для этого требуется разветвленная сеть распределительных труб малого диаметра. Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов Министерства транспорта США сообщает, что в США протяженность распределительных трубопроводов составляет чуть более 2 миллионов миль, включая городские магистрали и обслуживающие трубопроводы, которые соединяют каждый метр с магистралью.

Из-за наличия транспортной инфраструктуры, необходимой для транспортировки природного газа множеству разнообразных потребителей на достаточно обширной географической территории, затраты на распределение обычно составляют около половины затрат на природный газ для домашних хозяйств и потребителей небольшого объема.В то время как крупные трубопроводы могут снизить удельные затраты за счет транспортировки больших объемов природного газа, распределительные компании должны доставлять относительно небольшие объемы во многие другие места. По данным Управления энергетической информации (EIA), затраты на передачу и распределение составляли примерно половину ежемесячных счетов за газ коммунальных услуг типичного бытового потребителя природного газа в 2009 году, а затраты на сам природный газ составляли вторую половину.

Доставка природного газа

Компоненты цен на природный газ для жилых домов

Источник: Управление энергетической информации-2008

Доставка природного газа до точки конечного потребления распределительным предприятием во многом схожа с транспортировкой природного газа, описанной в разделе «Транспортировка».Однако распределение включает перемещение меньших объемов газа при гораздо более низком давлении на более короткие расстояния большому количеству индивидуальных пользователей. Труба меньшего диаметра также используется для транспортировки природного газа от городских ворот к отдельным потребителям.

Природный газ периодически сжимается для обеспечения потока по трубопроводу, хотя местные компрессорные станции обычно меньше, чем те, которые используются для транспортировки между штатами. Из-за меньших объемов перемещаемого природного газа, а также из-за того, что используется труба малого диаметра, давление, необходимое для перемещения природного газа по распределительной сети, намного ниже, чем давление в магистральных трубопроводах.В то время как природный газ, проходящий по межгосударственным трубопроводам, может быть сжат до 1500 фунтов на квадратный дюйм (фунт / кв. Дюйм), для природного газа, проходящего через распределительную сеть, требуется всего 3 фунта на квадратный дюйм, а давление составляет всего фунта на квадратный дюйм на счетчике потребителя. Распределяемый природный газ обычно сбрасывается у городских ворот или рядом с ним, а также очищается и фильтруется (даже если он уже был обработан перед распределением по межгосударственным трубопроводам) для обеспечения низкого содержания влаги и твердых частиц.Кроме того, меркаптан — источник знакомого запаха тухлых яиц в природном газе — добавляется коммунальным предприятием перед распределением. Это добавлено, потому что природный газ не имеет запаха и цвета, а знакомый запах меркаптана значительно упрощает обнаружение утечек.

Распределительная компрессорная станция

Источник: Duke Energy Gas Transmission Canada

Традиционно для строительства распределительных сетей использовались жесткие стальные трубы.Однако новая технология позволяет использовать гибкие пластиковые и гофрированные трубы из нержавеющей стали вместо жестких стальных труб. Эти новые типы трубок позволяют снизить затраты, гибкость установки и упростить ремонт как для местных распределительных компаний, так и для потребителей природного газа.

Еще одно новшество в распределении природного газа — это использование электронных систем считывания показаний счетчиков. Природный газ, потребляемый одним клиентом, измеряется местными счетчиками, которые, по сути, отслеживают объем природного газа, потребляемого в этом месте.Традиционно, чтобы правильно выставлять счета клиентам, необходимо было направить персонал для снятия показаний счетчиков для учета этих объемов. Однако новые электронные системы считывания показаний счетчиков способны передавать эту информацию непосредственно коммунальному предприятию. Это приводит к экономии затрат для коммунального предприятия, которые, в свою очередь, передаются потребителям.

Установка распределительных сетей

Источник: Duke Energy Gas Transmission Canada

Установка газораспределительной трубы требует того же процесса, что и для больших трубопроводов: рытье траншей, в которую укладывается труба.Однако новые методы рытья траншей позволяют устанавливать распределительную трубу с меньшим воздействием на надземное окружение. Системы управляемого бурения используются для выкапывания подземной скважины, в которую может быть вставлена ​​труба, и могут привести к значительной экономии при выемке грунта и восстановлении. Это особенно важно в многолюдных городских условиях и в живописных сельских районах, где установка газораспределительной трубы может стать серьезным неудобством для жителей и владельцев бизнеса.

Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), подобные тем, которые используются крупными трубопроводными компаниями, также используются местными распределительными компаниями. Эти системы могут интегрировать контроль и измерение расхода газа с другими системами бухгалтерского учета, выставления счетов и контрактов, чтобы обеспечить комплексную систему измерения и контроля для местной газовой компании. Это позволяет коммунальному предприятию использовать точную и своевременную информацию о состоянии распределительной сети, чтобы обеспечить эффективное и действенное обслуживание в любое время.

Регулирование распределения природного газа

Традиционно местным газовым компаниям были предоставлены исключительные права на распределение природного газа в определенной географической области, а также на выполнение таких услуг, как выставление счетов, проверка безопасности и обеспечение подключения природного газа для новых клиентов. Как и межгосударственные трубопроводы, коммунальные предприятия исторически рассматривались как естественные монополии. Из-за высокой стоимости строительства распределительной инфраструктуры нерентабельно прокладывать несколько избыточных распределительных сетей в одной области, в результате чего только одно коммунальное предприятие предлагает распределительные услуги.Из-за своего положения естественных монополий в данной географической зоне распределительные компании исторически регулировались таким образом, чтобы не допускать злоупотребления монопольной властью и чтобы потребители природного газа не становились жертвами чрезмерно высоких затрат на распределение или неэффективных систем доставки.

Государственные комиссии по коммунальному хозяйству отвечают за надзор и регулирование деятельности местных газовых компаний, находящихся в собственности инвестора. Коммунальные предприятия, принадлежащие местным органам власти, обычно управляются местными правительственными учреждениями, чтобы обеспечить рентабельное удовлетворение потребностей и предпочтений клиентов.Государственное регулирование местных распределительных компаний преследует множество целей, включая обеспечение адекватного снабжения, надежного обслуживания и разумных цен для потребителей, а также обеспечение адекватной нормы прибыли для коммунальных предприятий, принадлежащих инвестору. Государственные регулирующие органы также несут ответственность за надзор за строительством новых распределительных сетей, включая утверждение площадок для установки и предлагаемых дополнений к сети. Нормативные приказы и методы надзора варьируются от штата к штату. Чтобы узнать больше о регулировании распределения природного газа в вашем штате, щелкните здесь, чтобы посетить Национальную ассоциацию уполномоченных по регулированию коммунальных предприятий (NARUC).

Исторически местные распределительные компании предлагали только «пакетные» услуги; то есть они объединили расходы на транспортировку, распределение и сам природный газ в одну цену для потребителей. Однако, начиная с 1990-х годов, программы жилищного «выбора потребителя» стали предлагаться как часть движения к розничному «разделению» продаж природного газа. Многие штаты в настоящее время предлагают программы, в которых клиенты могут выбрать поставщика, у которого будет приобретать природный газ отдельно, и использовать газовое предприятие просто для обслуживания и доставки этого газа.Программы выбора клиентов действуют более чем в 20 штатах и ​​в округе Колумбия. Чтобы узнать больше о статусе государственных программ выбора потребителей, посетите EIA.

Хотя большинство бытовых и небольших коммерческих потребителей по-прежнему склонны покупать «пакетный» природный газ у коммунальных предприятий, все более важная роль маркетологов природного газа, а также инновации, подпитываемые растущей конкуренцией на рынке, приводят к новаторским способам поставка природного газа мелким потребителям, а также новых опций комплексных услуг, таких как системы домашней безопасности.Посетите наш раздел, чтобы узнать больше о маркетинге природного газа на жилищном рынке.

Распределение и безопасность

Местные распределительные компании, такие как крупные межгосударственные и внутригосударственные трубопроводы, поддерживают высочайшие стандарты безопасности, чтобы избежать предотвратимых аварий и своевременно устранять проблемы с распределительной сетью. Многие программы безопасности, поддерживаемые коммунальными предприятиями, очень похожи на программы межгосударственных трубопроводных компаний.Меры безопасности на местном уровне включают:

• Оборудование для обнаружения утечек — Коммунальные предприятия имеют сложное оборудование для обнаружения утечек, предназначенное для обнаружения утечек природного газа из распределительной сети. Коммунальные предприятия также добавляют одоранты в природный газ, чтобы облегчить обнаружение утечки.
• Образовательные программы по безопасности — Коммунальные предприятия обычно проводят семинары по безопасности природного газа в школах, общественных центрах и через другие организации, чтобы гарантировать, что клиенты хорошо разбираются в процедурах безопасности природного газа и знают, что делать в случае утечки или чрезвычайной ситуации.
• Дежурные технические специалисты — Коммунальные предприятия обслуживают целые группы технических специалистов по вызову 24 часа в сутки, семь дней в неделю, чтобы реагировать на проблемы и опасения клиентов.
• Готовность к чрезвычайным ситуациям — Коммунальные предприятия участвуют в программах общественной и местной готовности к чрезвычайным ситуациям, обучая и готовясь к чрезвычайным ситуациям, таким как стихийные бедствия.
• Системы единого вызова — Предоставляет клиентам, подрядчикам и экскаваторам единый номер телефона, по которому можно позвонить перед началом земляных работ или строительства, чтобы гарантировать, что трубопроводы и другие подземные сооружения не будут повреждены.В 2008 году был принят национальный телефонный номер «811», «позвони, прежде чем копать», при поддержке коммунальных служб, сообществ, аварийно-спасательных служб и государственных чиновников.

Группа реагирования на чрезвычайные ситуации в сообществе — проверка счетчиков газа

Источник: Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям

Это лишь некоторые из мер безопасности, применяемых местными распределительными компаниями.Просвещение потребителей особенно важно для безопасного распределения природного газа, особенно в густонаселенных районах. Обучая пользователей природного газа безопасному использованию природного газа, действиям в чрезвычайной ситуации и обнаружению утечек, распределительные компании гарантируют, что распределение природного газа останется одним из самых безопасных способов передачи энергии. Для получения дополнительной информации о безопасности природного газа в вашем районе обратитесь в свою газовую компанию. Для получения информации о трубопроводах природного газа, в том числе, посетите Управление безопасности трубопроводов Министерства транспорта.

Газопроводов — Управление энергетической информации США (EIA)

Сеть газопроводов США представляет собой высоко интегрированную сеть, по которой природный газ транспортируется по всей континентальной части Соединенных Штатов. Сеть трубопроводов насчитывает около 3 миллионов миль магистральных и других трубопроводов, которые соединяют районы добычи и хранилища природного газа с потребителями. В 2019 году по этой газотранспортной сети было доставлено около 28,3 триллиона кубических футов (трлн фут3) природного газа примерно 76 странам.9 миллионов клиентов.

Что составляет эту транспортную сеть?

• Системы сбора, в основном состоящие из трубопроводов малого диаметра и низкого давления, перемещают неочищенный природный газ от устья скважины на завод по переработке природного газа или к соединению с более крупным магистральным трубопроводом.
• Заводы по переработке природного газа отделяют жидкие углеводородные газы, неуглеводородные газы и воду от природного газа перед подачей природного газа в магистральную транспортную систему.
• Межгосударственные газопроводы большого диаметра и высокого давления, пересекающие государственные границы, и внутригосударственные газопроводы, работающие в пределах государственных границ, транспортируют природный газ от зон добычи и переработки к хранилищам и распределительным центрам. Компрессорные станции (или насосные станции) в трубопроводной сети обеспечивают движение природного газа по трубопроводной системе.
• Местные распределительные компании поставляют природный газ потребителям по трубопроводам малого диаметра с низким давлением.

Нажмите для увеличения

Газопроводы природного газа

Источник: стоковая фотография (защищена авторским правом)

Как эта передающая и распределительная сеть стала такой большой?

Около половины существующей магистральной сети передачи природного газа и большая часть местной распределительной сети были проложены в 1950-х и 1960-х годах, поскольку потребительский спрос на природный газ после Второй мировой войны увеличился более чем вдвое.Распределительная сеть продолжала расширяться, обеспечивая газоснабжение новых коммерческих объектов и жилых домов.

В период с 2003 по 2008 год цены на природный газ существенно выросли. Повышение цен дало производителям природного газа стимул к расширению разработки существующих месторождений и началу разведки ранее неосвоенных месторождений природного газа. Развитие технологий бурения и добычи привело к увеличению добычи из сланцев и других плотных геологических формаций.Это увеличение производства способствовало общему снижению цен на природный газ с 2009 года, что, в свою очередь, способствовало увеличению спроса на природный газ для производства электроэнергии и в промышленности. Следовательно, были построены новые магистральные трубопроводы и строятся другие, чтобы связать расширенные и новые источники производства с большим количеством потребителей по всей стране, особенно на северо-востоке.

Последнее обновление: 3 декабря 2020 г.

Поставка и хранение природного газа

Поставка природного газа потребителям

Доставка природного газа из газовых и нефтяных скважин потребителям требует множества объектов инфраструктуры и этапов обработки, а также включает в себя несколько физических передач хранения.

• Обработка
• Транспорт
• Хранилище

Переработка природного газа для транспортировки по трубопроводам

Природный газ, транспортируемый по магистральной системе транспортировки природного газа (трубопроводам) в Соединенных Штатах, должен соответствовать особым критериям качества, чтобы трубопроводная сеть (или сеть ) могла обеспечивать природный газ однородного качества.Устьевой природный газ может содержать загрязняющие вещества и жидкие углеводородные газы (HGL), которые необходимо удалить, прежде чем природный газ может быть безопасно доставлен в магистральные трубопроводы высокого давления, по которым природный газ транспортируется потребителям. Природный газ обычно перемещается из газовых и нефтяных скважин через систему сбора трубопроводов на заводы по переработке природного газа для обработки.

Обработка природного газа может быть сложной и обычно включает несколько процессов или стадий для удаления нефти, воды, HGL и других примесей, таких как сера, гелий, азот, сероводород и диоксид углерода.Состав устьевого природного газа определяет количество стадий и процессов, необходимых для производства сухого природного газа трубопроводного качества. Эти этапы и процессы могут быть интегрированы в одно подразделение или операцию, выполняться в другом порядке или в альтернативных местах (аренда / завод) или не требоваться вовсе.

• Сепараторы газ-масло-вода : Сброс давления в одноступенчатом сепараторе вызывает естественное отделение жидкостей от газов в природном газе.В некоторых случаях требуется многоступенчатый процесс разделения для разделения различных потоков жидкости.
• Сепаратор конденсата : Конденсаты чаще всего удаляются из потока природного газа на устье скважины с помощью сепараторов, похожих на сепараторы газ-нефть-вода. Поток природного газа в сепаратор идет непосредственно с устья скважины. Добытый конденсат направляется в резервуары для хранения.
• Обезвоживание : В процессе обезвоживания удаляется вода, которая может вызвать образование нежелательных гидратов и конденсацию воды в трубопроводах.
• Удаление загрязняющих веществ : Неуглеводородные газы, такие как сероводород, диоксид углерода, водяной пар, гелий, азот и кислород, также должны удаляться из потока природного газа. Наиболее распространенный метод удаления — направлять природный газ через емкость, содержащую раствор амина. Амины поглощают сероводород и диоксид углерода из природного газа и могут быть переработаны и регенерированы для повторного использования.
• Экстракция азота : После того, как сероводород и диоксид углерода снижаются до приемлемых уровней, поток природного газа направляется в установку отвода азота (NRU), где он подвергается дальнейшей дегидратации с использованием слоев молекулярных сит.
• Отделение метана : Процесс деметанизации потока природного газа может происходить как отдельная операция на заводе по переработке природного газа или как часть операции NRU. Методы криогенной обработки и абсорбции — это некоторые из способов, используемых для отделения метана от HGL.
• Фракционирование : Фракционирование разделяет HGL на составные жидкости с использованием различных точек кипения индивидуального HGL. ВСУ с перерабатывающего завода можно отправлять на нефтехимические заводы, нефтеперерабатывающие заводы и другим потребителям ВГК.

По трубопроводам природный газ с мест добычи доставляется на рынки

Трубопроводы для транспортировки природного газа представляют собой трубопроводы большого диаметра и часто являются протяженной частью трубопроводных систем природного газа, которые соединяют системы сбора в районах добычи, заводы по переработке природного газа, другие точки приема и основные районы обслуживания потребителей.

• Межгосударственные газопроводы работают и транспортируют природный газ через государственные границы.
• Интрастейт трубопроводы природного газа эксплуатируют и транспортируют природный газ в пределах государственной границы.
• Hinshaw Трубопроводы природного газа принимают природный газ из межгосударственных трубопроводов и доставляют его потребителям для потребления в пределах государственной границы.

Когда природный газ поступает в места, где он будет использоваться (обычно через большие трубопроводы), он течет в трубопроводы меньшего диаметра, называемые магистральными , а затем в более мелкие служебные трубопроводы , которые идут непосредственно к домам или зданиям.

Природный газ также можно хранить в периоды пикового спроса

Спрос на природный газ колеблется ежедневно и сезонно, в то время как добыча и импорт по трубопроводам относительно постоянны в краткосрочной перспективе. Хранение природного газа в периоды низкого спроса помогает гарантировать наличие достаточных запасов природного газа в периоды высокого спроса. Природный газ в больших объемах хранится в подземных сооружениях и в меньших объемах в резервуарах над или под землей.

• Истощенные месторождения природного газа или нефти — близкие к потребляющим районам, где большая часть природного газа хранится в Соединенных Штатах.
• Соляные каверны — которые обеспечивают высокие скорости отбора и закачки по сравнению с их рабочей мощностью природного газа. Базовые потребности в природном газе относительно низкие. Большинство хранилищ соляных пещер находятся в формациях соляных куполов в штатах, граничащих с Мексиканским заливом. Соляные пещеры также выщелачивались из слоистых соляных образований в штатах на Среднем Западе, Северо-Востоке и Юго-Западе.
• Водоносные горизонты — которые преобразованы в резервуары для хранения природного газа, особенно на Среднем Западе, где водоносные осадочные горные образования перекрыты водонепроницаемыми покрывающими породами.

Последнее обновление: 15 января 2021 г.

Как работают трубопроводы природного газа?

В 1920-х годах на Великих равнинах Соединенных Штатов был открыт природный газ.После этого открытия скорость строительства трубопроводов резко увеличилась, чтобы удовлетворить растущую потребность в природном газе в качестве топлива для отопления в крупных городах Среднего Запада.

С тех пор Соединенные Штаты создали разветвленную сеть трубопроводов природного газа, состоящую из более чем 300 000 миль транспортных трубопроводов и более 210 отдельных систем трубопроводов природного газа. Эта большая система может транспортировать природный газ практически в любое место в 48 штатах и ​​обратно по межгосударственным и внутригосударственным трубопроводам.

В процессе транспортировки природный газ проходит множество этапов транспортировки и обработки. Природный газ поступает из добывающей скважины или месторождения, а затем направляется по трем основным типам газопроводов:

• Сборные трубопроводы — это трубопроводы малого диаметра, по которым природный газ подается от устья скважины либо в магистральную сеть передачи, либо на перерабатывающий завод, в зависимости от качества исходного продукта. Перерабатывающие предприятия отделяют жидкие углеводородные газы, неуглеводородные газы и воду от природного газа перед его отправкой в ​​транспортную систему.
• Транспортировочные трубопроводы — это трубопроводы большого диаметра на большие расстояния, по которым природный газ транспортируется от мест добычи и переработки к хранилищам и распределительным центрам. Ряд компрессорных или насосных станций линейки магистральных трубопроводов. Эти станции содержат один или несколько компрессорных агрегатов, которые принимают передаваемый поток от предыдущей станции и увеличивают скорость и давление потока, чтобы поддерживать движение газа по множеству трубопроводов, по которым он должен пройти, чтобы достичь рынков и потребителей.
• Распределительные трубопроводы , или местные распределительные линии, перемещают газ ближе к городам и жилым районам, где местные распределительные компании снижают давление природного газа до уровня, подходящего для жилых домов и коммерческих предприятий. Меньшие сервисные линии ведут к домам, предприятиям или промышленным районам, нуждающимся в природном газе.

Цепочка поставок газа | AEMC

Природный газ в Австралии в настоящее время добывается как:

• обычный газ
• нетрадиционный газ (например, газ угольных пластов или сланцевый газ)

Производители газа добывают газ из скважин и обрабатывают его для подготовки к транспортировке и продаже на внутреннем и внешнем рынках.

Производители газа продают газ оптом производителям электроэнергии, другим крупным потребителям газа и розничным торговцам электроэнергией, которые продают его предприятиям и бытовым потребителям.

Обычный природный газ

Обычный природный газ:

• можно найти глубоко в земле, в ловушке подземных скальных образований, называемых резервуарами
• можно найти на суше или на море
• пробурено из месторождения по технологии, аналогичной бурению на нефть
Затем
• дорабатывается для удаления определенных элементов перед отправкой.

Сланцевый газ

• встречается в сланцевых пластах, которые часто находятся глубоко под поверхностью
Добыча
• стала более осуществимой с помощью современных технологий, включая горизонтальное бурение

Нетрадиционный газ

Нетрадиционный газ:

• находится в запасах угля ближе к поверхности
• удерживается давлением воды в запасах угля
• экстракция — относительно новый подход

Запасы газа

В 2016 году в восточной Австралии было добыто 1660 петаджоулей газа.Пятьдесят восемь процентов этого объема было экспортировано с заводов по производству СПГ в Квинсленде. Точно так же большая часть газа, добываемого в Западной Австралии и Северной территории, также экспортируется в виде СПГ.

Обычный природный газ в восточной Австралии в настоящее время добывается на нескольких месторождениях бассейнов Гиппсленд, Отуэй, Купер, Басс и Сурат-Боуэн. Обычный природный газ также добывается в бассейнах Карнарвон и Перт в Западной Австралии и в бассейне Бонапарта на Северной территории.

Газ из угольных пластов добывается на нескольких месторождениях в бассейнах Сурат-Боуэн и Сидней.Этот газ обеспечивает внутреннее потребление, а также экспорт СПГ.

Газопроводы

Газ, производимый для внутреннего потребления, транспортируется (или «доставляется») по трубопроводам высокого давления от производственного объекта к точке входа в распределительную сеть (известную как городские ворота) или крупным потребителям, подключенным к магистральному трубопроводу. .

В магистральных газопроводах используются трубопроводы очень высокого давления, компрессорные станции, хранилища и другие элементы для транспортировки газа.

Хранилища включают любой элемент системы, который может хранить газ, например:

• сами трубопроводы передачи через линейный пакет
• Два резервуара для хранения СПГ на восточном побережье (Ньюкасл и Данденонг)
• Шесть подземных хранилищ (истощенные газовые месторождения)

Газохранилища могут закачивать газ в систему транспортировки в короткие сроки для управления пиковым спросом или чрезвычайными ситуациями. Обычно они принадлежат розничным торговцам энергоносителями.

Карту австралийского газопровода можно найти на странице реестра газовых схем.

Газораспределительные трубопроводы

Газораспределительные трубопроводы транспортируют природный газ от магистральных трубопроводов к конечным потребителям. Обычно они состоят из магистрали трубопроводов высокого и среднего давления, проходящих между «городскими воротами» (точкой подключения к магистральному трубопроводу) и основными центрами спроса. Эта система трубопроводов питает трубопроводы низкого давления, по которым газ доставляется на предприятия и дома.

Распределительные трубопроводы природного газа обеспечивают газом 4,3 миллиона домашних хозяйств и 130 000 коммерческих и промышленных потребителей. Протяженность распределительных сетей низкого давления составляет более 88000 км.

Энергетические ритейлеры являются основными покупателями распределительных трубопроводов. Они покупают природный газ в больших объемах и перепродают его потребителям.