Характеристика, классификация и принцип работы газораспределительных механизмов двигателей внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Механизм газораспределения двигателей внутреннего сгорания обеспечивает процессы газообмена (наполнения цилиндров свежим зарядом и выпуск отработавших газов). Различают золотниковые, клапанные и смешанные механизмы газораспределения. Для современных автомобильных и тракторных двигателей в основном используются клапанные механизмы. Золотниковые механизмы, а также пластинчатые клапаны применяются в двухтактных двигателях, в том числе в двигателях для прокрутки дизельных двигателей при их запуске. Смешанные (клапанно-золотниковые) механизмы используются в двухтактных двигателях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой. В двухтактных поршневых и роторно-поршневых двигателях роль золотника в ряде случае выполняют их поршни.

1. Золотниковые механизмы газораспределения

По аналогии с паровыми машинами первые двигатели Ленуара, Гюгона и Отто имели золотниковое газораспределение. Золотники изготовлялись обычно из бронзы. К числу основных преимуществ золотникового газораспределения относятся большие проходные сечения системы газообмена, возможность быстрого увеличения времени-сечения открытия окон, устранение из камеры сгорания одного из наиболее опасных очагов детонации - выпускного клапана. Испытания опытных двигателей «Москвич-400» и 6ЛО 5,5 (на базе ЗИС-120) с крановыми золотниками трех одноцилиндровых экспериментальных двигателей с различными вариантами золотников (гильзовым, дисковым, крановым золотником), проведенные в НАМИ, позволили выявить их основные преимущества и недостатки. Двигатели имели повышенный коэффициент наполнения. Мощность двигателя «Москвич-400», была увеличена примерно на 8% с соответствующим удучшением динамических качеств автомобиля. Общим недостатком двигателей с золотнтковым газораспределением было повышение расхода смазки на 1…2% и на некоторых режимах дымление на выпуске. Кроме того, повышались потери на трение, т.к. в конце сжатия и рабочем ходе давление уплотняющего башмака на золотник увеличивалось настолько, что это приводило к обрыву 3-х рядной цепи на двигателе 6ЛО5,5 (рис. 1).

Рис. 1. Двигатель 6ЛО 5,5 с крановым золотником (поперечный разрез): 1 - впускной трубопровод; 2 - выпускной коллектор; 3 - золотник; 4 - впускной канал в золотнике; 5 - свеча зажигания; 6 - уплотняющий башмак; 7 - выпускной канал в золотнике

При клапанно-золотниковом газораспределении динамические явления в каналах при выпуске и впуске ограничивали максимальную частоту вращения.

Высокие мощностные показатели достигались на спортивных двигателях с коническим золотником типа «Аспин». Преимуществом двигателя была возможность обеспечить высокие значения времени-сечения на впуске и выпуске, компактность камеры сгорания, охлаждение золотника во время хода впуска. Но оставалась проблема уплотнений золотника и его смазки (рис. 2).

Рис. 2. Двигатель с коническим золотником типа «Аспин»: 1 - конический золотник; 2 впускной канал; 3 - шестеренчатый привод золотника

Однако усложнение конструкции, экологические требования, необходимость обеспечить требуемый ресурс работы не позволили эти двигатели внедрить в массовое производство в автомобильной промышленности. Приоритет остался за клапанным газораспределением.

2. Клапанный механизм газораспределения

Расположение и привод клапанов. Тихоходные бензиновые двигатели автомобилей и мотоциклов («Москвич-402», «Победа М-20», ГАЗ-69, ГАЗ-51, ЗИС-110, М-72 и ряд их модификаций) имели нижнее расположение клапанов (в цилиндре или блоке цилиндров). Их основные недостатки: ограниченная степень сжатия вследствие повышенного сопротивления из-за изменения направления движения рабочей смеси при входе в цилиндр, ограничение степени сжатия и, соответственно, меньшая литровая мощность. Промежуточным вариантом является смешанное расположение клапанов: впускной клапан - в головке цилиндров, а выпускной - в блоке цилиндров. Преимуществом данной конструкции является существенное увеличение площади вытеснителя и диаметра впускных клапанов, которые располагались над поршнем в головке цилиндров. Такого рода двигатели широкого применения не нашли.

У автомобильных двигателей с номинальной частотой вращения до 5000-6000 мин-1 распределительный вал устанавливался в блоке цилиндров при рядном расположении цилиндров или в развале между цилиндрами при их V-образном расположении. Его привод осуществляется шестернями или цепью. Для снижения уровня шума шестерню распределительного вала или ее обод выполняют из текстолита. Зацепление делается с косым зубом и по возможности с малым модулем Для правильной установки фаз газораспределения на шестернях делаются метки. (рис. 3).

Рис. 3. Привод распределительного вала шестернями: 1 - шестерня распределительного вала; 2, 3 - установочные метки фаз газороспределения; 4 - шестерня коленчатого вала

Привод клапанов двигателей старых моделей производился толкателями, штангами и коромыслами (рис.4). Регулирование теплового зазора производилось вращением винта в коромысле, фиксируемого контргайкой.

Рис. 4. Схема привода клапана при расположении распределительного вала в блоке цилиндров: 1 - сальниковое уплотнение клапана; 2 - пружина клапана; 3 - тарелка пружины; 4 - сухари; 5 - коромысло; 6 - контргайка; 7 - винт регулировки теплового зазора; 8 - наконечник штанги 9 - штанга; 10 - впускной клапан; 11 - седло впускного клапана; 12 - направляющая клапана

Однако возникновение колебаний в системе привода, повышенные массы поступательно движущихся частей ограничивали максимально допустимую частоту вращения. Поэтому распределительные валы высокооборотных двигателей располагаются в головках цилиндров. Их привод осуществляется одной или несколькими цепями или зубчатыми ремнями. Привод распределительных валов промежуточными валами с коническими или винтовыми шестернями применяется для двигателей с большим ходом поршня, поэтому на автомобильных и мотоциклетных двигателях встречается редко.

Применение зубчатых ремней упрощает конструкцию двигателя и уменьшает его габариты и массу. (рис. 5), снижает уровень шума. Появляется возможность использования зубчатых ремней для привода некоторых агрегатов (масляного насоса, насоса охлаждающей жидкости, генератора). Недостатком является необходимость менять зубчатые ремни через заданный пробег (обычно 30-50 тыс. км), а при износе сальника распределительного вала и попадании на него масла еще раньше.

Рис. 5. Привод распределительного вала зубчатым ремнем (ВАЗ -2105): 1 -шкив распределительного вала; 2 - зубчатый ремень; 3 - пружина натяжного ролика; 4 - шкив привода масляного насоса; 5- шкив коленчатого вала; 6 - болты крепления натяжителя; 7 - ролик натяжителя

Бывают случаи обрыва ремня из-за попадания в привод посторонних предметов (наледь, случайные детали, обтирочный материал). Использование синтетических материалов со стеклонитяными или проволочными кордами позволяет повысить надежность зубчатых ремней. Во время пуска двигателя в условиях низких температур усилие на прокручивание распределительного вала увеличивается, что может привести к срезу зубьев на зубчатом ремне. При повреждении нескольких зубьев временно (например дорожных условиях) можно разрезать ремень вдоль корда на две части и, сместив одну половину не несколько зубьев относительно другой, надеть их на зубчатые шкивы. Конечно, при первой возможности его следует заменить. Для предотвращения колебаний ремня и поддержании его в натянутом состоянии со стороны ненатянутой зоны располагается натяжной ролик.

На многих двигателях, где требуется повышенная надежность, привод осуществляется цепью. Применяются втулочно-роликовые или роликовые цепи. Цепи могут быть одно - или двухрядные. Для предотвращения колебаний цепи их приводы оснащаются натяжителями. В двигателях с полуавтоматическим регулированием натяжители цепей выполняются в виде ролика или пластмассовых башмаков. В двигателях с натяжителем, имеющим стопорный болт, необходимо его ослабить, провернуть коленчатый двигатель и закрепить болт. Для изменения положения натяжителя цепи с цанговым зажимом (ВАЗ-2101, -2103 и др.) ослабляют колпачковую гайку натяжителя, поворачивают коленчатый вал на 1-2 оборота. При этом стержень должен свободно перемещается вдоль оси. Пружина натяжителя сама обеспечивает необходимое усилие натяжения цепи. После этого следует затянуть колпачковую гайку, фиксирующую стержень в цанговом зажиме (рис. 6).

Рис. 6. Натяжитель цепи с цанговым зажимом: 1 - колпачковая гайка; 2 - корпус; 3 - шток; 4 - стопорное кольцо; 5 - опорное кольцо; 6 - нажимной стержень; 7 - цанговый зажим

В большинстве современных двигателей применяются гидронатяжители с автоматическим регулированием усилия натяжения. Применение цепного привода, как более надежного, с автоматическим регулированием усилия натяжения особенно важно для двигателей с расположением привода распределительного вала стороны маховика в связи с затрудненным доступом к нему (двигатель автомобиля Пассат фирмы «Фольксваген»). На ведущих участках цепи устанавливаются односторонние или двухсторонние успокоители из специальных пластмасс (рис. 7). При их износе появляется шум цепи, при этом обычно требуется замена и успокоителей и пластмассовых натяжителей.

Рис. 7. Схема цепного привода распределительных валов: привод двигателя «Фольксваген» V-5; 1 - звездочки распределительных валов; 2 - натяжитель с башмаком; 3 - цепь; 4 - шкив вала привода масляного насоса; 5 - натяжитель с башмаком (нижней цепи); 6 - коленчатый вал; 7 - успокоитель

При смещении фаз газораспределения из-за неправильной сборки, обрыве зубчатого ремня, срезе зубьев в результате контакта поршня с тарелкой клапана происходит изгиб клапана, а иногда и его поломка. После этого необходимо проверить компрессию во всех цилиндрах. Если компрессия находится в пределах нормы, то, установив коленчатый вал и распределительный вал по меткам на шкиве, соответствующим ВМТ, надо заменить ремень.

При частичной разборке двигателя для замены цепи, сальников или распределительного вала натяжители отпускаются. Для последующей установки фаз газораспределения на шкиве коленчатого вала и звездочках или шкивах распределительных валов имеются метки, соответствующие обычно ВМТ первого цилиндра. Ведущий участок цепи или ремня должен при этом находиться в натянутом состоянии. После установки фаз и закрепления натяжителя необходимо провернуть коленчатый вал и проверить совпадение меток. В случае отсутствия меток для большинства двигателей можно установить фазы без них. При положении поршня первого цилиндра в ВМТ его впускной и выпускной клапаны должны находиться в положении, приоткрытом примерно на одинаковую величину (обычно 0,5-1,0 мм).

Установка нескольких впускных клапанов позволяет не только увеличить их суммарное проходное сечение, но и уменьшить динамические нагрузки на привод клапанного механизма за счет снижения массы каждого клапана и уменьшения их максимального хода. Кроме того, применение двух выпускных клапанов позволяет снизить их температуру за счет лучшего теплоотвода при меньшем диаметре тарелки клапана. Дополнительно улучшить наполнение двигателя удается при наклонной установке в разных плоскостях всех четырех клапанов (два впускных и два выпускных) в полусферической камере сгорания (рис. 8). Для привода каждого клапана приходится применять по два одноплечих рычага, что существенно усложняет конструкцию двигателя. Поэтому данные схемы привода встречаются редко.

Рис. 8. Наклонная установка в разных плоскостях всех четырех клапанов в полусферической камере сгорания: 1 - тарелка выпускного клапана: 2, 3 - одноплечие рычаги привода выпускного клапана; 4 - распределительные валы; 5, 6 - одноплечие рычаги привода впускного клапана; 7 - впускные клапаны

Увеличение мощностных показателей двигателей за счет повышения частоты вращения ограничивается возможностями привода клапанного механизма. Для двигателей не имеющих гидротолкателей профиль кулачка и величина теплового зазора выбираются таким образом, чтобы момент касания кулачка толкателя или рычага привода при любом тепловом режиме соответствовал зоне минимальных ускорений (рис. 9). Это предотвращает стук клапанов и уменьшает их износ.

Рис. 9. Диаграмма подъема клапанов и динамика клапанного механизма 1, 2 - запас усилия клапанных пружин; 3, 4, 8 - силы инерции, вызываемые отрицательными ускорениями, 5 - усилие внутренней пружины при закрытом клапане; 6 - усилие наружной пружины при открытом клапане; 7- суммарное усилие пружин при открытом клапана; А - зона выборки теплового зазора; Дкл - тепловой зазор; ц - угол поворота коленчатого вала (п.к.в.).

В инструкциях по эксплуатации фазы газораспределения могут указываться по началу и концу подъема клапана, но при разных условиях: при холодном двигателе, по началу подъема при нулевом тепловом зазоре, при подъеме на заданную величину (обычно на 1 мм).

Фазы газораспределения. Наполнение двигателя удается увеличить за счет выбора оптимальной величины запаздывания закрытия впускного клапана после НМТ, находящейся в пределах от 55 до 85 градусов поворота коленчатого вала. Во время впуска поток смеси (или воздуха в двигателях с впрыском топлива) двигается с высокой скоростью (до 50 м/с). Созданная при этом инерция потока смеси обеспечивает поступление смеси и при движении поршня вверх после прохождения НМТ. Это так называемая, дозарядка цилиндра, которая зависит от длины впускного канала, его сечения, времени-сечения открытия впускного клапана после НМТ. Чем выше частота вращения, тем больше эффективность от дозарядки (инерционного наддува). При этом коэффициент наполнения (отношение массы фактически поступившего воздуха в цилиндр к теоретически возможному) может быть больше единицы. Но при малой частоте вращения из-за малой скорости смеси происходит обратный выброс смеси из цилиндра во впускной канал. Это одна из важных причин снижения наполнения, а, следовательно, и крутящего момента при снижении частоты вращения

Рабочий процесс четырехтактных двигателей начинается с хода впуска. Впускной клапан обычно открывается за 10...25 до ВМТ В это время выпускной клапан еще открыт. После закрытия выпускного клапана (обычно после 10…30 после ВМТ) во время движения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) через клапаны происходит впуск (всасывание) смеси или воздуха в цилиндр. После НМТ за счет инерции потока воздуха происходит дозарядка цилиндра.

Фазы газораспределения выбираются не только из условия максимального коэффициента наполнения, но и с учетом динамики клапанного механизма. Расширение фаз открытия клапанов позволяет уменьшить ускорения, а, следовательно, и усилия, действующие на детали привода клапанов, жесткость пружин и нагрузки на привод клапанного механизма, особенно в зоне высоких частот вращения. Современные двигатели имеют настроенные системы газообмена, в которых для повышения наполнения цилиндров используются инерционные явления во впускном и выпускном трубопроводах. Это достигается за счет выбора длины впускного канала и величины запаздывания закрытия впускного клапана после НМТ. При малой частоте вращения коленчатого вала из-за низкой скорости смеси после НМТ происходит обратный выброс смеси из цилиндра во впускной канал. Для предотвращения этого высокооборотные двигатели имеют механизмы, изменяющие фазы газораспределения и длину впускных каналов.

Изменение фаз газораспределения позволяет для каждого скоростного и нагрузочного режима выбирать их оптимальные значения с целью обеспечения наибольшего коэффициента наполнения при полной нагрузке и наименьших потерь на газообмен при частичных нагрузках. При низкой частоте вращения впускной клапан закрывается раньше, чтобы уменьшить обратный выброс смеси, а выпускной клапан открывается позже для уменьшения потерь в конце хода расширения. При высокой частоте вращения и больших нагрузках впускной клапан закрывается позднее, чтобы увеличить дозарядку цилиндра за счет инерции потока смеси, а выпускной клапан открывается раньше, чтобы уменьшить потери в начале хода выпуска. Начало открытия выпускных клапанов (обычно в пределах 20…60 град. п.к.в.) производится так, чтобы снизить давление в цилиндре к моменту прихода поршня в НМТ до 200..400 кПа и уменьшить потери на газообмен за счет снижения противодавление в цилиндре на ходе выпуска. С целью снижения выброса оксидов азота для выполнения норм токсичности путем изменения перекрытия клапанов производится регулирование количества остаточных газов за счет их внутренний рециркуляции.

На тихоходных двигателях профиль кулачка выполнялся по двум или трем дугам окружности. Для современных быстроходных двигателей существуют методики выбора безударного профиля кулачка с учетом обеспечения надежной работы газораспределительного механизма при максимальных частотах вращения. В некоторых двигателях кулачки делаются с несимметричным профилем.

Существуют следующие способы изменения положения распределительного вала относительно коленчатого вала: при помощи муфты с винтовыми шлицами, при помощи муфты с роторным механизмом (рис. 10), натяжным роликом, изменяющим длину ведущего участка цепи и поворачивающим распределительный вал относительно приводной звездочки.

Рис. 10. Способ изменения фаз газораспределения муфта с спиральными шлицами 1 - шлицевой вал; 2 звездочка привода распределительного вала; 3 - механизм сервопривода; 4 - распределительный вал

Ряд зарубежных фирм внедрил в производство системы, обеспечивающие изменение не только фаз газораспределения, но и хода или продолжительности открытия клапана. Фирмой «БМВ» для новых 4- и 8-цилиндровых двигателей, используется трехрокерный механизм, обеспечивающий изменение продолжительности открытия клапана за 0,3 с. При вращении распределительного вала кулачок набегает на средний ролик. Движение промежуточного рычага передается на ролик коромысла, открывающего клапан. При повороте электромотором шестерни с эксцентриками изменяется положение верхнего упора промежуточного рычага и, соответственно, угол наклона его нижней рабочей поверхности относительно коромысла. Это обеспечивает изменение высоты подъема клапана (рис. 11).

Рис. 11. Система двигателя ВМВ 7 с изменяемой высотой подъема впускных клапанов: 1 - шестерня с эксцентриками, 2 - распределительный вал; 3 - подпятник промежуточного рычага; 4 - коромысло с роликом и гидроупором

Регулирование наполнения цилиндров и, следовательно, мощности двигателя достигается изменением высоты подъема впускных клапанов от 9,7 мм при максимальной мощности до необходимой величины (0,5-2,0 мм на малых нагрузках и холостом ходу). Таким образом, за счет изменения хода клапана регулируется крутящий момент, дроссельная заслонка используется только для управления вентиляцией топливного бака, диагностики, при аварийном ходе. При малой высоте подъема клапана происходит снижение потерь на газообмен, повышается скорость прохождения смеси через клапанную щель до критической. Это улучшает смесеобразование, снижает механические потери на привод клапанного механизма, шум двигателя, износ деталей. В случае регулирования нагрузки высотой подъема клапана нет затрат времени на заполнение ресивера и впускных патрубков, и соответственно - ошибок в показаниях датчика расхода воздуха в начальный период разгона автомобиля. Получаемый эффект по расходу топлива достигает 14%, кроме того, удается обеспечить выполнение перспективных норм токсичности Евро-4. Существенно улучшаются и динамические качества автомобиля.

На рис. 12 приведен вариант механизма двигателя «Хонда» с кулачком, имеющим конический профиль. При смещении распределительного вала в осевом направлении изменяется профиль рабочей части кулачками, соответственно изменяется ход клапана.

Рис. 12. Механизм двигателя «Хонда» изменяющий ход клапана с коническими кулачками

Механизмы с электрическим приводом. Одним из перспективных направлений развития систем привода клапанов является электромагнитный привод (рис. 13).

Рис. 13. Электропривод клапана

Основной проблемой остается слишком большой вес системы привода клапанов и затраты на цветные металлы. Одним из перспективных направлений при внедрении электромагнитного провода является на только повышение коэффициента наполнения, но и использование цикла Миллера для снижения потерь на газообмен, применение адиабатного расширения заряда для снижения его температуры с целью уменьшения выброса оксидов азота и предотвращения аномальных процессов сгорания. Сейчас рядом ведущих фирм осваиваются и другие типы приводов клапанов: гидравлический, комбинированный и др.

Тепловой зазор в приводе клапанов. В двигателях с жидкостным охлаждением температура головки цилиндра не превышает 100-120С. Стержень клапана при высоких нагрузках двигателя удлиняется на большую величину, чем остальные детали головки, при этом уменьшается тепловой зазор. При перегреве клапана (например, из-за позднего зажигания), износе седла и фаски клапана, а также при неправильной регулировке, зазора не будет, нарушится герметичность и произойдет прогар клапана. Большинство современных двигателей оборудуются системой автоматического регулирования теплового зазора. Это исключает необходимость проверки и регулирования теплового зазора, а также предотвращает вероятность прогара клапана при износе седел и фасок клапанов. В двигателях с приводом клапана при помощи рычага автоматическое регулирование теплового зазора осуществляется гидравлическим упором (рис. 14).

Рис. 14. Привод клапанов с гидроупорами: упор рычага привода.

В двигателях с непосредственным приводом клапана толкатель выполняют с гидравлическим компенсатором теплового зазора (рис. 14). Масло из системы смазки заполняет внутреннюю полость гидравлического упора, прижимая рычаг к кулачку. После длительной остановки двигателя масло из гидротолкателя открытого клапана выдавливается, что после пуска приводит к стуку некоторых клапанов в течение нескольких минут. При сильном износе плунжерных пар в гидравлических толкателях или упорах рычага привода время работы со стуком клапанов увеличивается. В случае попадания масла с воздухом (при его вспенивании) внутрь толкателя, а затем и внутрь плунжерных пар, он выдавливается через зазоры в них.

В двигателях без автоматического регулирования теплового зазора привод клапана от кулачка осуществляется при помощи рычага (ВАЗ-2101, 2103, 21011, 2105, 2107 и др.). Минимальной массы паступательно движущихся частей клапанного механизма удается добиться при приводе от кулачка к клапану непосредственно через толкатель. Для регулирования теплового зазора имеются шайбы из легированной стали в торце цилиндрического толкателя. Две пружины расположены внутри толкателя. Тарелка крепится на клапане при помощи двух сухарей. На направляющих втулках установлены сальниковые уплотнения с пружинными колечками, предотвращающие прорыв газов из выпускной системы в картер двигателя через втулки выпускных клапанов и попадание паров масла из картера во впускной трубопровод через втулки впускных клапанов. Под пружины подложены стальные опорные шайбы для предотвращения износа опорной поверхности алюминиевой головки цилиндров и фиксации пружин. На направляющих втулках установлены стопорные кольца предотвращающие смещение втулок в коллекторы в случае задира стержней клапанов (рис 15).

Рис 15. Механизм привода клапанов двигателей ВАЗ-2108 и их модификации: а - поперечный разрез головки цилиндров; б - разрез по толкателю; 1 - клапан; 2 - толкатель; 3 - кулачок; 4 - стопорное кольцо; 5 - опорная шайба; 6 - пружинка сальника; 7, 8 - внутренняя и наружная клапанные пружины, 9 - сухарь; 10 - тарелка клапана; 11 толкатель; 12 - шайба; 13 - сальниковое уплотнение.

Увеличение теплового зазора приводит к началу подъема клапана в зоне больших ускорений. В результате появляется стук клапана при его посадке в седло, вызывает повышенный износ. Стук клапанов может появляться из-за износа кулачков и рычагов. Для большинства типов привода из-за износа контактных поверхностей кулачка и рычага фактический зазор получается больше измеряемого щупом. Поэтому наиболее точным является способ регулирования при помощи приспособления с использованием индикатора, предотвращающего ошибку при замере.

В двигателях с приводом клапана через толкатель регулирование теплового зазора обычно осуществляется путем замены цилиндрических вставок. Предварительно необходимо замерить фактический зазор. Затем с помощью приспособления отжимается толкатель (рис. 16, а), который затем закрепляется фиксатором (рис 16, б), вынимается изношенная вставка и заменяется на новую вставку с учетом требований инструкции. После установки новых вставок необходимо провернуть коленчатый вал на два-три оборота и снова проверить зазоры щупом.

клапан газораспределительный натяжитель двигатель

Рис. 16. Способ замены вставок двигателей семейства ВАЗ - 2108: 1 - приспособление для отжима толкателя; 2 - распределительный вал; 3 - вставка; 4 - толкатель; 5 - фиксатор

В двигателях с воздушным охлаждением при расположении распределительного вала в блоке цилиндров или картере и штанговом приводе клапанов суммарное удлинение линейной цепи привода и самого клапана обычно оказывается меньше удлинения цилиндра и головки. При регулировке холодного двигателя тепловой зазор делается минимальным (0,1 мм) и даже нулевым.

Клапаны. Высота подъема клапана ограничивается ростом инерционных сил, выбором соответствующего усилия клапанных пружин и связанным с этим износом пары клапан - толкатель. По мере увеличения подъема на суммарное сопротивление потока смеси все большее влияние оказывает впускное отверстие седла клапана. Слишком большой подъем клапана бесполезен, так как площадь отверстия седла клапана оказывается меньше проходного сечения конической поверхности клапана и уже она ограничивает прохождение смеси. Температура впускных клапанов доходит до 550оС. Впускные клапаны изготавляются из высоколегированных сталей X45CrSi93, X80CrNiSi20, X80CrMoW152 и др. путем горячей штамповки. Торец стержня клапана подвергают термообработке на высокую твердость (до 55НRC) c глубиной закаленного слоя 2,5…3,0 мм. С целью снижения массы впускных клапанов их часто выполняют тюльпанообразной формы. При выборе размеров и фаз открытия выпускных клапанов учитывается номинальная частота вращения коленчатого вала, сопротивление системы выпуска с учетом динамических колебаний в ней и нейтрализатора.

Клапанные пружины. Клапанные пружины изготавливаются из стальной проволоки. На большинстве двигателей применяются цилиндрические или конические пружины. Спиральные пружины применяются сравнительно редко. Обычно на каждый клапан ставится по две пружины с разным направлением навивки, чтобы в случае поломки одной из них ее витки не попали между витков другой пружины. Под пружины ставятся стальные шайбы, чтобы предотвратить износ алюминиевых головок цилиндров и фиксировать взаимное положение пружин. В некоторых двигателях для улучшения герметичности клапана пружины опираются на механизм, обеспечивающий поворот клапана на небольшой угол при каждом его ходе. Тарелка клапана закрепляется на его стебле при помощи двух сухарей с конической поверхностью. В зоне высоких частот вращения коленчатого вала возникают резонансные колебаний пружины в сторону повышенных частот вращения коленчатого вала, приводящие к нарушению работы механизма и поломке пружин. Наиболее эффективным способом предотвращения резонанса пружин является установка внутри основной пружины дополнительной пружины из плоской ленты, выполняющей функцию демпфера (рис. 14, а). Для смещения резонансных явлений в сторону высоких частот вращения на многих двигателях применяются конические пружины или пружины с переменным шагом (рис. 17).

Рис. 17. Клапанные пружины: а - коническая; б - с переменным шагом

Усилия пружин выбираются с таким расчетом, чтобы в зоне отрицательных ускорений (рис. 9) обеспечивался необходимый запас их суммарных усилий для безотрывной работы клапанного механизма.

Способы повышения надежности клапанного механизма. На режимах максимальной мощности температура выпускного клапана доходит до 700--950С, поэтому для их изготовления применяются жаростойкие стали X45CrNiW189, X53CrMNi219 и др. с высоким содержанием хрома, марганца и никеля. Для экономии высоко легированных сталей клапаны часто делаются биметаллическими. Кроме того, увеличение износостойкости достигается плазменным напылением посадочных конусов керамическим материалом, сотоящим из карбидов хрома и никеля.

Слишком раннее открытие выпускного клапана (до 70 до НМТ) при низкой частоте вращения коленчатого вала приводит не только к потере полезной площади индикаторной диаграммы в конце рабочего хода и снижению крутящего момента, но и к перегреву выпускных клапанов, повышению требований к октановому числу топлива, увеличению потерь с охлаждающей жидкостью. При слишком позднем их открытии и больших нагрузках повышается противодавление в начале хода выпуска и, соответственно, снижаются мощностные показатели двигателя.

С целью снижения температуры выпускных клапанов и повышения их надежности, а также для уменьшения требований к октановому числу топлива, применяется так называемое натриевое охлаждение, то есть клапан выполняется с полостью в тарелке и стержне, которая частично заполняется натрием. При нагреве натрий плавится и, перемещаясь от тарелки в стебель, способствует их охлаждению. Как следует из рисунка 18, на котором даны результаты замера температуры клапана двигателя ГАЗ-53, применение натриевого охлаждения снижает температуру тарелки клапана примерно на 80…100 С в диапазоне чисел оборотов коленчатого вала от 1400 до 4000 мин-1. Применение натриевого охлаждения обеспечивает не только повышение надежности работы клапанного механизма, но и снижение требований к октановому числу топлива примерно на 4…8 единиц.

Рис. 18. Зависимость температуры клапана от частоты вращения коленчатого вала на полной нагрузке: 1, 3 -температура тарелки клапана; 2, 4 - температура стержня клапана

Наиболее эффективным способом снижения температуры выпускных клапанов при одновременном повышении наполнения цилиндров и уменьшении требований к октановому числу топлива является применение двойного выпуска отработавших газов. Система газообмена двигателя ДН обеспечивала последовательным выпуск отработавших газов сначала через окна, и только при ходе поршня вверх - через клапаны (рис. 19). Проведенные в НАМИ испытания опытных 4-х цилиндровых двигателей ДН, показали повышение мощности на 18…20%, снижение температуры выпускных клапанов на 80…210С, уменьшение расхода топлива автомобилем на 13…20%.

Температура клапанов в процессе эксплуатации часто дополнительно повышается, особенно при нарушении их герметичности, при установке слишком поздних углов опережения зажигания из-за низкооктанового топлива, применении топлива с меньшей скоростью сгорания, а также нарушении герметичности клапана (например, при попадании частиц нагара на фаску) и ряде других факторов. В результате происходит перегрев клапана (свыше 1000 ОС), что часто вызывает его прогорание. Для предотвращения прогорания клапанов необходимо периодически проверять компрессию и тепловые зазоры клапанов. Фактическая степень сжатия серийных двигателей одной модели даже при соблюдении производственных допусков колеблется в широких пределах (до единицы), соответственно меняется и компрессия. Поэтому целесообразно первоначально определять компрессию на новом двигателе (обычно после обкатки), чтобы в процессе эксплуатации знать, насколько снизилась ее величина из-за износа поршневых колец или нарушения герметичности клапанов.

При установке распределительного вала с более широкими фазами и увеличенным ходом клапанов следует убедиться, что в зоне ВМТ остается гарантированный зазор между тарелкой клапана и днищем поршня. Также необходимо иметь в виду, что в режиме максимальной мощности головка поршня нагревается до 280-300С, в то время как цилиндры имеют температуру 100-120С. Поэтому в этом режиме зазоры между днищем поршня и головкой цилиндра, а также тарелкой клапана уменьшаются, что приводит к появлению стука, а иногда и поломке клапана или поршня. Избежать этого можно, увеличив выемки в днище поршня под клапаном или выполнив срез днища поршня.

Комбинированные механизмы газораспределения.

Десмодромные механизмы. Применение в системе привода клапанов пружин приводит к увеличению потерь на трение и ограничивает максимальную частоту вращения коленчатого вала. Существуют десмодромные механизмы, обеспечивающие двухстороннюю связь клапана с кулачковым механизмом без клапанных пружин для принудительного открытия и закрытия клапанов. Открытие и закрытие клапана производится со значительно большими ускорениями, что позволяет увеличить время-сечение открытого состояния клапана и, следовательно, повысить коэффициент наполнения на высоких частотах вращения. Основной проблемой при создании этих механизмов является обеспечение компенсации зазоров, образующихся при износе трущихся поверхностей, что ограничивает применение их для автомобилей массового производства. Поэтому они в основном применяются только для двигателей гоночных автомобилей.

Механизмы отключения клапанов. Одним из эффективных способов снижения эксплуатационного расхода топлива за счет уменьшения появляется применение системы отключения клапанов части цилиндров. По сигналу электронного блока электромагнитный привод поворачивает блокирующую пластину и корпус механизма получает возможность перемещаться вдоль шпильки оси коромысла. Так как пружина опоры коромысла слабее пружины клапана, коромысло начинает качаться относительно торца стебля клапана. При этом электронный блок отключает подачу топлива в эти цилиндры.

Как показали испытания серийного автомобиля с 8-ми цилиндровым двигателем фирмы Кадиллак, проведенные в НАМИ, при отключении 4-х цилиндров на частичных нагрузках внутренние потери снижаются примерно в 1,5 раза. При средних скоростях у двигателя работали 6 цилиндров. На холостом ходу снижение расхода топлива доходит до 40%. При движении по шоссе расход топлива снижается примерно на 20%. Над двигателями с отключением клапанов работали многие отесественные и зарубежные фирмы и институты: НАМИ, ЗИЛ, Мерседес-Бенц (модель 500SE), БМВ (323), Порше и др. Однако вследствие ряда проблем, связанных в основном с неустановившимися режимами в эксплуатационных условиях, применение отключения клапанов не нашло широкого применения.

Размещено на Allbest.ru