Газораспределительный механизм

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 8Следующая ⇒

Механизм газораспределения должен удовлетворять следующим основным требованиям: своевременно открывать и закрывать впускные и выпускные отверстия цилиндров двигателя, обеспечивать возможно лучшее наполнение цилиндров свежим зарядом и очистку цилиндров от отработавших газов; надёжно изолировать внутреннее пространство цилиндров от окружающей среды во время тактов сжатия и рабочего хода.

Механизмы газораспределения в зависимости от конструкции подразделяют на: клапанные, оконные, золотниковые и смешанные.

В современных автотракторных двигателях получил широкое применение клапанный механизм газораспределения. В зависимости от расположения клапанов различают три вида механизмов: с нижними (боковыми) клапанами, которые расположены в блоке цилиндров; с верхними (подвесными) клапанами, расположенными в головке цилиндров; смешанный или комбинированный, при котором клапаны располагаются в блоке и головке цилиндров.

Механизм с нижним расположением клапанов более прост и дешев в изготовлении. Но при этом конструктивно удлиняется камера сгорания и тем самым увеличивается поверхность охлаждения. В такой камере увеличивается длина пути пламени, а, следовательно, и время процесса сгорания топлива, что способствует возникновению детонации. В свою очередь детонация ограничивает возможность увеличения степени сжатия для повышения мощности и экономичности двигателей.

Рис. 1.10. Верхнеклапанный ГРМ

Механизм газораспределения с верхним расположением клапанов конструктивно сложнее механизма с нижним расположением клапанов, однако он обеспечивает лучшее наполнение цилиндров, увеличение степени сжатия, понижения тепловых потерь через стенки камеры сгорания и, следовательно уменьшает удельный расход топлива.

Например, дизели имеют в основном механизмы газораспределения с верхним расположением клапанов. Это объясняется тем, что дизели имеют высокую степень сжатия, а значит и малый объём камеры сгорания. При этом клапан можно разместить только в головке цилиндров, т.к. размещение их в блоке цилиндров неизбежно привело бы к увеличению объёма камеры сгорания.

Механизм газораспределения с верхним расположением клапанов состоит из распределительного вала с кулачками, толкателей, штанг, коромысел, клапанов, направляющих втулок, клапанных пружин.

Вращение от коленвала двигателя через зубчатые колёса передаётся на распредвал. Кулачёк распредвала поднимает толкатель, который передаёт усилие на штангу, поворачивающую коромысло. Коромысло передаёт усилие на стержень клапана и, преодолевая сопротивление клапанных пружин, заставляет его перемещаться и открывать впускное отверстие. Клапаны перемещаются в направляющей втулке, запрессованной в головке блока цилиндров.

Максимальное открытие клапана происходит в то время, когда толкатель находится на вершине кулачка распредвала. При дальнейшем повороте распределительного вала кулачёк выходит из-под толкателя, и клапан под действием пружин занимает прежнее место, плотно закрывая отверстие канала в головке цилиндров.

При работе двигателя стержень клапана и детали передачи нагреваются и удлиняются. Чтобы удлинение деталей передачи не препятствовало плотной посадке головки клапана в гнезде, между стержнем клапана и толкателем или коромыслом предусмотрен зазор. При слишком больших зазорах уменьшается высота подъёма клапанов, вследствие чего ухудшается наполнение и очистка цилиндров, растут ударные нагрузки и увеличивается износ деталей механизма газораспределения.

При отсутствии зазора не обеспечивается герметичность камеры сгорания, двигатель теряет компрессию, перегревается и не развивает полной мощности. Неполное закрытие клапанов приводит к обгоранию фасок клапанов.

Тепловой зазор регулируется на холодном механизме. Для впускных клапанов он составляет 0, 15…0, 3 мм, для выпускных, которые при работе подвергаются большему нагреву – 0, 25…0, 4 мм. Конкретно для каждого типа двигателя размеры зазоров определяют в зависимости от материала деталей механизма газораспределения и конструкции двигателя. Величины зазоров указаны в заводской инструкции.

Распределительные шестерни служат для привода распределительного вала, топливного и масляного насосов и других механизмов двигателя. При сборке двигателя зубчатые колёса, посредством которых приводится от коленчатого вала распределительный вал, устанавливают по специальным меткам, обеспечивающим правильную установку фаз газораспределения.

Распределительный вал служит для открытия впускных и выпускных клапанов, открытие производится кулачками распределительного вала. Распределительный вал – стальной. Кулачки изготавливаются за одно целое с валом. Вал, установленный в опорах блока цилиндров или головке блока, вращается в подшипниках скольжения. Опорные поверхности валов и рабочие поверхности кулачков подвергают цементации с последующей закалкой токами высокой частоты. Распредвал может располагаться в картере двигателя либо в головке блока цилиндров. Существуют двигатели с двумя распредвалами в головке цилиндров (в многоклапанных ДВС). Один используется для управления впускными клапанами, второй – выпускными. Такая конструкция называется DOHC (Double Overhead Camshaft). Если распредвал один, то такой ГРМ именуется SOHC (Single OverHead Camshaft). Распредвал вращается на цилиндрических шлифованных опорных шейках.

Рис. 1.11. Привод распредвала

Привод клапанов осуществляется расположенными на распределительном валу кулачками. Количество кулачков зависит от числа клапанов. В разных конструкциях двигателей может быть от двух до пяти клапанов на цилиндр (3 клапана – два впускных, один выпускной; 4 клапана – два впускных, два выпускных; 5 клапанов – три впускных, два выпускных). Форма кулачков определяет моменты открытия и закрытия клапанов, а также высоту их подъема.


Рис. 1.12. Распредвал	Рис. 1.13. Привод клапанов коромыслами

Толкатель служит для передачи усилия от кулачка распредвала на стержень клапана или штангу. Одновременно он воспринимает боковое усилие, возникающее от вращательного движения кулачка. Толкатели изготавливают из чугуна или стали. Направляющую цилиндрическую часть толкателя для уменьшения массы часто делают пустотелой.

Существует три варианта исполнения толкателей – механические (жесткие), гидротолкатели (гидрокомпенсаторы) и роликовые толкатели. Первый тип в современных моторах практически не используется, в связи с большой шумностью работы и необходимостью частой регулировки зазора клапанов. Второй тип наиболее широко применяется, так как не требует настройки и регулировки теплового зазора, а работа отличается мягкостью и гораздо меньшим шумом. Гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Работа гидрокомпенсатора основана на свойстве несжимаемости моторного масла, которое постоянно заполняет его внутреннюю полость и перемещает поршень при появлении зазора в приводе клапана. Роликовые толкатели чаще всего применяются в спортивных и форсированных двигателях, так как позволяют улучшить динамические характеристики автомобиля за счет снижения трения. В месте контакта с кулачком распредвала у них находится ролик. Поэтому кулачок не трется, а катится по толкателю. Вследствие этого роликовые толкатели выдерживают более высокие нагрузки и обороты, а также позволяют обеспечить более высокий подъем клапанов. Недостатки – большая стоимость, вес и большие нагрузки на детали ГРМ.

Рис. 1.14. Устройство и принцип работы гидрокомпенсаторов

Кулачок распредвала, повернутый к толкателю тыльной стороной, непередает на него усилие и плунжерная пружина выдвигает плунжер извтулки, выбирая зазор. В увеличившийся объем полости под плунжеромчерез шариковый клапан поступает масло из системы смазки. После ее заполнения шариковый клапан закрывается под действием своей пружины.

Поворачиваясь выпуклой стороной к толкателю, кулачок начинаетперемещать его вниз. В этот момент гидрокомпенсатор передает усилие наклапан ГРМ как «жесткий» элемент, так как шариковый клапан закрыт, амасло в замкнутой полости под плунжером практически не сжимается.

При перемещении толкателя и, соответственно, плунжерной пары внизнебольшая часть масла выдавливается через зазоры из полости подплунжером. Длина гидрокомпенсатора незначительно уменьшается иобразуется зазор (упомянутый выше) между кулачком и толкателем. Утечкикомпенсируются дополнительной порцией масла из системы смазки двигателя.

Расширение деталей при нагреве приводит к изменению объема«пополняющей» порции масла и длины гидрокомпенсатора, то есть онавтоматически «выбирает» зазор как от теплового расширения, так и отизноса деталей ГРМ.

Штанга передаёт движение толкателя к коромыслу. Штанга представляет собой стальной стержень трубчатого сечения с двумя стальными наконечниками, которые подвергают цементации и закалке.

Коромысло служит для передачи движения от штанги к клапану. Оно представляет собой стальной двухплечевой рычаг с плечами различной длины.

Клапаны предназначены для открытия и закрытия впускных и выпускных отверстий цилиндров двигателя. Клапаны состоят из головки, направляющего стержня и хвостовика. В современных двигателях применяют клапаны с плоской, тюльпанообразной и сферической головками. Наиболее распространены клапаны с плоской головкой, основным преимуществом которых является малая поверхность нагрева. Тюльпанообразные головки клапанов обладают хорошей обтекаемостью и поэтому их применяют в основном для впускных клапанов. Сферическую головку клапана чаще делают у выпускных клапанов.

Края впускного и выпускного отверстия в головке блока двигателя конические с углом 45⁰ и 30⁰, образующие гнездо клапана. Боковая часть головки клапана (фаска) имеет конусную поверхность, выполненную под тем же углом. Конусные поверхности гнезда и головки клапана обеспечивают плотное прилегание. Для лучшего прилегания производится притирка соприкасающихся поверхностей клапана и гнезда.

Переход от головки клапана к стержню делается плавным, чем достигается увеличение прочности клапана, улучшение отвода тепла от головки и уменьшение сопротивления потоку газов. Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью головки впускных клапанов часто имеют больший диаметр, чем головки выпускных клапанов.

Клапанные пружины обеспечивают плотное закрытие клапанов и воспринимают инерционные усилия, возникающие в клапанном механизме при работе двигателя. Наиболее распространены цилиндрические спиральные пружины.

Рис. 1.15. Клапаны и пружины

Для лучшего наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом и более полной очистки их от отработавших газов, открытие и закрытие клапанов производится не в тот момент, когда поршень находится в мёртвых точках, а с некоторым опережением при открытии и запаздыванием при закрытии.

Периоды открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленчатого вала (φ _ПКВ) называются фазами газораспределения.

Например, у быстроходных дизелей открытие впускного клапана обычно происходит раньше, чем поршень приходит в ВМТ (с опережением). Опережение открытия впускного клапана изменяется примерно от 8 до 20 по повороту коленчатого вала. Это позволяет увеличить продолжительность впуска воздуха и использовать его инерционный напор.

Закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием, т.е. после того, как поршень пройдёт НМТ. Это обеспечивает дополнительное поступление воздуха в цилиндр за счёт инерции воздуха и разности давлений, запаздывание закрытия впускного клапана изменяется в пределах от 37⁰ до 56⁰поворота коленчатого вала.

Следовательно, фазы открытия впускных клапанов рассматриваемых дизельных двигателей будут от 225⁰ до 256⁰.

Открытие впускного клапана происходит с опережением, т.е. до прихода поршня в НМТ, что ведёт к снижению затрат мощности на выталкивание продуктов сгорания. Опережение открытия выпускного клапана у современных дизелей колеблется в пределах от 47⁰ до 56⁰ по углу поворота коленчатого вала.

Закрытие выпускного клапана происходит с запаздыванием, т.е. после прохождения поршнем ВМТ. Угол запаздывания составляет 10-20⁰. Фазы открытия выпускных клапанов будут 237-256⁰ по углу поворота коленчатого вала.

Так как открытие впускного клапана происходит до закрытия выпускного клапана, то возникает такой период, когда оба клапана открыты одновременно. Этот период называется перекрытием клапанов и выражается в градусах поворота коленчатого вала.

Моменты открытия и закрытия клапанов и величина перекрытия зависят от назначения, быстроходности и конструктивных особенностей двигателя.

Соблюдение фаз газораспределения обеспечивается формой и взаиморасположением кулачков на распределительном валу.

Рис. 1.16. Диаграмма фаз газораспределения

Лекция № 4

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 Следующая ⇒