2.6.1. Назначение и устройство механизма клапанного газораспределения
Газораспределительный механизм предназначен для осуществления по определенному закону и установленной последовательности впуска в цилиндры свежего заряда и выпуска отработавших газов. Степень наполнения и очистки цилиндра зависит, главным образом, от величины проходного сечения газораспределительных систем и продолжительности их пребывания в открытом состоянии.
В зависимости от конструкции узлов, с помощью которых цилиндры двигателей сообщаются с окружающей средой, газораспределительные механизмы делят на клапанные и бесклапанные (золотниковые, комбинированные).
В современных четырехтактных двигателях в основном применяют клапанный механизм газораспределения. Такой механизм надежен в работе, обеспечивает хорошее уплотнение рабочей плоскости цилиндра, конструктивно проще.
Клапанные механизмы газораспределения по расположению клапанов и их приводу могут выполняться с нижним боковым (в блоке цилиндров) и верхним подвесным (в головке цилиндров) расположением клапанов.
Привод верхних клапанов осуществляется непосредственно от распределительного вала (рис. 2.26, а) или через промежуточные детали в виде коромысел 1, рычагов 2, траверс 3, штанг 4, толкателей 5 (рис. 2.26, б, в, г, д). Расположение распределительного вала при этом может быть как верхнее, так и нижнее. Наличие тех или иных деталей механизма привода зависит от расположения распределительного вала и числа клапанов.
Рис. 2.26. Схемы расположения клапанов с их приводом:
а, б, в, г — верхние клапаны с приводом от верхних распределительных валов (а — типа ООНС; б, в, г — типа ОНС); д — то же, от нижнего распределительного вала (типа ОНУ); е — нижние клапаны с приводом от нижнего распределительного вала (типа БУ); 1 — коромысло; 2 — рычаг; 3 — траверса; 4 — штанга ; 5 — толкатель
Нижнее боковое расположение клапанов (рис. 2.26, е) применяли только в бензиновых двигателях со сравнительно низкими степенями сжатия и невысокой частотой вращения коленчатого вала (ГАЗ-5203, ГАЗ-5204, ЗИЛ -157 КД и др.).
Наиболее распространены двигатели с верхним расположением клапанов. Такая конструкция типична для всех современных двигателей.
Верхние клапаны в бензиновых двигателях дают возможность получить компактную камеру сгорания цилиндрической (см. рис. 2.26, а, г, д), конической (клапаны расположены с одной стороны двигателя под углом к оси цилиндра) или полусферической (см. рис. 2.26, б, в) формы, благоприятной для наполнения цилиндра свежим зарядом, смесеобразования и сгорания топлива.Меньшая поверхность камеры обусловливает также уменьшение тепловых потерь через стенки, а следовательно, и увеличение индикаторного КПД.
Механизмы привода верхних клапанов показаны на рис. 2.27. Они могут быть изготовлены при нижнем (рис. 2.27, а) или верхнем (рис. 2.27, б, в) расположении распределительного вала.
Рис. 2.27. Механизмы привода верхних клапанов:
а — при нижнем расположении распределительного вала; 6 — при верхнем расположении распределительного вала и непосредственном воздействии кулачка на клапан; в — то же, при воздействии кулачка на клапан через рычаг; 1 — распределительный вал; 2 — толкатель; 3 — штанга; 4 — ось коромысел; 5 — коромысло; 6 — клапан; 7 — клапанная пружина; 8 — направляющая втулка; 9 — седло; 10 — рычаг
Дизели имеют механизмы газораспределения с верхним расположением клапанов при нижнем расположении распределительного вала, который для рядных двигателей находится сбоку от блока цилиндров (см. рис. 2.27, а) или в развале блока цилиндров для V-образных двигателей. Привод распределительного вала у большинства двигателей осуществляют парой косозубых шестерен от коленчатого вала двигателя.
Основными деталями механизма газораспределения являются клапаны с седлами, направляющие втулки, пружины с деталями крепления, коромысла, штанги, толкатели, распределительный вал и его привод.
Механизм, показанный на рис. 2.27, а, работает следующим образом. Вращающийся распределительный вал 1 своими кулачками передает движение толкателю 2, который через штангу 3 передает усилие дальше, к плечу коромысла 5 с регулировочным винтом. Другим плечом коромысло при повороте вокруг оси 4 коромысел нажимает на торец клапана 6. При этом сжимаются клапанные пружины 7 и открывается клапан. После окончания воздействия кулачка на толкатель клапан под воздействием упругих сил пружин и давления газов плотно закрывается. Аналогичным образом открываются и закрываются и другие клапаны. В толкатель запрессована стальная плита, которая служит упорным подшипником для наконечника штанги. В коромыслах клапанов имеются каналы, по которым масло поступает для смазки поверхностей трения клапанов.
Наименьшее число деталей привода получается при расположении распределительного вала над клапанами и воздействии кулачка на стержень клапана либо непосредственно (см. рис. 2.27, б), либо через рычаг 10 (см. рис. 2.27, в). Такие приводы преимущественно применяются в двигателях легковых автомобилей.
В современных форсированных двигателях для увеличения площади проходных сечений, что обеспечивает лучшее наполнение и очистку цилиндра, для снижения температуры и веса клапанов применяют конструкции с тремя (два впускных и один большой выпускной), с четырьмя или пятью (три впускных и два выпускных) клапанами. В этих случаях открывание клапанов осуществляется двумя распределительными валами и механизмы газораспределения существенно усложняются.
Впускные и выпускные клапаны предназначены соответственно для впуска в цилиндры воздуха и выпуска отработавших газов. Клапаны (рис. 2.28, а) состоят из головки (тарелки) 2 и стержня 1. Головка 2 может быть плоской I (рис. 2.28, б) или выпуклой III. Широко применяют впускные и выпускные клапаны с плоской головкой. Клапаны с тюльпанообразной головкой II используют в основном как впускные. Реже используют в качестве выпускных клапаны с выпуклой головкой.
Рис. 2.28. Впускные и выпускные клапаны, формы их головок и способы крепления на них пружин: а — устройство клапана; б — формы головок клапанов (I — плоская; II — тюльпанообразная; III — выпуклая); в — способы крепления пружин на клапанах; 1 — стержень; 2 — головка (тарелка); 3 — заглушка; 4 — жаропрочная наплавка головки; 5 — металлический натрий; 6 — выточка для предохранительного кольца; 7 — хвостовик; 8 — опорная шайба пружины; 9 — конические сухарики; 10 — цилиндрические сухарики; 11 — конический хвостовик стержня; 12 — коническая втулка
Клапаны должны обеспечивать хорошую герметичность в месте соединения с опорной поверхностью (седлом), минимальное сопротивление проходу газов, достаточно охлаждаться во время работы и иметь небольшую массу. Головка клапана имеет конусную шлифованную фаску под углом 45 или 30°, которая притирается к своему седлу. Для улучшения наполнения цилиндров воздухом головки впускных клапанов имеют больший диаметр, чем выпускных.
Стержень клапана, являясь направляющей частью, имеет цилиндрическую форму. Выпускные клапаны требуют интенсивного охлаждения, и для лучшего отвода теплоты от головки стержень ряда двигателей выполняют полым. В полость помещают металлический натрий 5 (см. рис. 2.28, а) — для обеспечения интенсивного отвода теплоты. Хвостовая часть стержня приспособлена для крепления пружин на клапане.
Торец стержня клапана, контактирующий с коромыслом, закрывают специальным каленым защитным колпачком или закаливают.
Из всех деталей механизма газораспределения клапаны работают в наиболее тяжелых условиях, они подвержены воздействию высоких динамических и тепловых нагрузок. Особенно нагружены выпускные клапаны и их направляющие втулки. Температура головки выпускного клапана в бензиновых двигателях достигает 800 …900°С, а в дизелях без наддува — 500…700°С. В период выпуска отработавших газов выпускные клапаны омываются газами с температурой 900… 1 400°С. Впускные клапаны периодически омываются свежим зарядом и температура их составляет 300…400 °С.
Клапаны подвергаются коррозионному изнашиванию, а большие скорости движения газовых потоков (500…600 м/с) приводят к интенсивному эрозийному износу. Клапаны изготовляются из жароупорной стали. Для повышения стойкости клапана против изнашивания, его стержень часто хромируют, а фаски головок наплавляют жаростойкими хромоникелевыми сплавами.
Седла 9 (см. рис. 2.27, б) клапанов работают примерно в тех же условиях, что и сами клапаны, служат опорой посадочной поверхности тарелки клапана. Их растачивают непосредственно в головке цилиндров или изготовляют в виде колец из жаропрочных материалов, запрессованных в головку.
Направляющие втулки 8 изготовляют из антифрикционных материалов и запрессовывают в гнезда головки цилиндров. От перемещений в осевом направлении втулки удерживаются опорными поясками или стопорными кольцами. Втулки центрируют стержень клапана и способствуют правильной посадке его в седле. На ряде двигателей (легковые автомобили, КамАЗ) для предотвращения стекания масла в цилиндр по стержню клапана на верхней части направляющей втулки ставится резиновая манжета.
Клапанные пружины 7 предназначены для обеспечения плотной посадки клапанов в седла, а также постоянной, исключающей зазор кинематической связи клапана с кулачком распределительного вала. Пружины в процессе работы подвергаются действию значительных переменных динамических нагрузок, поэтому они должны обладать высокой прочностью и хорошей упругостью. На большинстве двигателей установлены две пружины на клапан, что повышает надежность работы и уменьшает их размеры. Пружины могут иметь постоянный или переменный шаг навивки.
Применение пружины с переменным шагом, или же установка двух пружин с противоположным шагом навивки позволяет исключить явление резонанса при работе клапана. Разные направления навивки пружин, кроме того, исключают возможность попадания витков одной пружины между витками другой.
Способы крепления пружин на клапанах показаны на рис. 2.28, в. Пружины чаще всего крепят с помощью стальных опорных шайб (тарелок) 8, конических 9 и цилиндрических 10 сухариков. Применяют крепление также при помощи конуса на хвостовике 11 стержня. В некоторых двигателях (А-03МЛ, ЯМ3, КамАЗ) сухарики закрепляются на стержне клапана через промежуточную коническую втулку 12, которая обеспечивает проворачивание клапанов под действием вибрации при их открывании. Это дает возможность для самопритирания фасок, предотвращает образование на них нагара и исключает неравномерное изнашивание торца стержня клапана.
Коромысло 5 (см. рис. 2.27, а) механизма газораспределения представляет собой неравноплечий рычаг, качающийся вокруг неподвижной оси 4. Такая конструкция обеспечивает уменьшение высоты подъема толкателей и штанг и, как следствие, снижение ускорений и сил инерции. Длинное плечо коромысла заканчивается носком, действующим на стержень клапана. Короткое плечо коромысла опирается на штангу. Передаточное отношение рычага 1,2… 1,8. В коротком плече имеется резьбовое отверстие, в которое ввернут регулировочный винт с контргайкой для установления необходимого теплового зазора. Коромысло на оси устанавливают на бронзовые втулки, а ось размещают в отдельных стойках, которые болтами или шпильками крепят к головке блока цилиндров.
Штанга 3 передает усилие от толкателя к коромыслу, она должна обладать большой продольной жесткостью, иметь минимальную массу и высокую износостойкость рабочих поверхностей. Штанги изготовляют трубчатыми, а концы снабжают стальными термически обработанными наконечниками со сферическими головками или седлом. Для компенсации температурного удлинения деталей между стержнем клапана и носком коромысла с помощью регулировочного винта устанавливается тепловой зазор. В холодном состоянии двигателя зазор должен быть 0,25…0,30 мм.
Толкатели 2 цилиндрической формы могут передавать усилия от кулачков распределительного вала как к штангам в двигателях с верхним расположением клапанов и нижним расположением распределительного вала (см. рис. 2.27, а), так и непосредственно к клапанам (см. рис. 2.27, б). Толкатели воспринимают боковые нагрузки от кулачков, поэтому их рабочие поверхности подвергаются значительному изнашиванию. Для снижения сил инерции толкатели изготовляют с возможно меньшей массой.
Опорные поверхности толкателей могут быть оснащены роликом (рис. 2.29, а) либо иметь плоскую или слегка сферическую (рис. 2.29, б) форму. Для ряда двигателей применены качающиеся роликовые толкатели. Использование таких толкателей способствует снижению изнашивания кулачков в результате замены трения скольжения трением качения.
Рис. 2.29. Толкатели:
а — с роликом; б — со сферической опорной поверхностью; в — гидравлический толкатель; 1 — клапан; 2 — коромысло; 3, 4 — пружины; 5 — обратный к лапан ; 6 — плунжер; —→ движение масла
Для обеспечения равномерного изнашивания опорной поверхности ось плоского толкателя можно смещать относительно середины кулачка, обеспечивая тем самым одновременные подъем и поворачивание толкателя. Такой же эффект достигается, если опорную поверхность толкателя выполнить выпуклой (сферической), а поверхность кулачка—с небольшой конусностью.
В механизме распределения некоторых современных автомобильных двигателей применяют гидравлические толкатели (рис. 2.29, в), которые автоматически устраняют зазоры в клапанном механизме, что уменьшает шум при работе механизма. В гидравлическом толкателе сила от коромысла 2 передается на стержень клапана 1 через плунжер 6 и слой масла, поступающего из смазочной системы через обратный клапан 5. Обратный клапан прижимается к седлу пружиной 4 и открывается при уменьшении давления масла внутри плунжерной полости. Таким образом, внутренняя плунжерная полость всегда заполнена маслом. Дополнительной пружиной 3 плунжер все время прижимается к стержню клапана, что исключает возможность образования зазора при тепловом расширении деталей привода клапана. При движении коромысла вниз обратный клапан закрывается, давление внутри плунжерной полости возрастает, и сила на клапан передается через слой масла и плунжер.
Распределительный (кулачковый) вал предназначен для управления клапанами механизма газораспределения, а также для привода узлов смазочной системы, систем питания и зажигания. На цилиндрической части распределительного вала 1 (рис. 2.30) расположены кулачки 2 и опорные шейки 4.
Рис. 2.30. Распределительный (кулачковый) вал:
1 — распределительный вал; 2 — кулачки; 3 — шестерня привода масляного насоса; 4 — опорная шейка; 5 — втулка подшипника; 6 — косозубая шестерня привода распределительного вала
Профиль кулачка должен обеспечивать плавное перемещение клапана, достаточно быстрое его открывание и закрывание при допустимых для нормальной работы силах инерции. Профили кулачков определяют величину проходного сечения для газов и фазы газораспределения в цилиндрах двигателя, т.е. моменты открывания и закрывания клапанов, а также продолжительность их нахождения в открытом состоянии.
Вращается распределительный вал в неразъемных подшипниках скольжения, выполненных обычно в теле блока с запрессованными в них стальными втулками 5, залитыми антифрикционным сплавом. Втулки подшипников смазываются под давлением.
Вал вставляют с торца двигателя так, что последняя шейка проходит последовательно через все подшипники, поэтому диаметр шеек вала уменьшается от первой к последней, начиная с шейки со стороны шестерни привода. Число опорных шеек распределительного вала обычно равно числу коренных подшипников коленчатого вала.
Для предотвращения осевых перемещений валов от действия усилий косозубых шестерен 6 привода предусмотрены фиксирующие устройства. Например, в двигателе ЯМЗ-236 установлен упорный фланец в передней части блока, а в двигателе ЯМЗ-740 упором служит корпус подшипника задней опоры.
Обычно число кулачков на распределительном валу равно числу обслуживаемых им клапанов. Расположение кулачков определяется числом и порядком работы цилиндров, схемой привода, фазами газораспределения.
При нижнем расположении распределительного вала наиболее распространен привод от коленчатого вала при помощи зубчатой передачи. Привод определяет соотношение частот вращения распределительного и коленчатого валов: для четырехтактных двигателей 1:2, а для двухтактных 1:1. Для установки фаз газораспределения при сборке двигателей на шестернях коленчатого и распределительного валов нанесены специальные метки, которые при сборке должны быть совмещены (см., например, для двигателя СМД-18БН на рис. 2.31 приведены совмещенные метки Р, К, Н и Т).
При верхнем расположении распределительного вала наиболее распространены приводы от коленчатого вала при помощи цепных или ременных передач. В цепных и ременных передачах звездочки привода устанавливают в определенном положении также по соответствующим меткам.
Рис. 2.31. Шестерни распределения двигателя СМД-18БН:
1 — шестерня привода масляного насоса двигателя; 2 — ведущая шестерня п ри вода масляного насоса двигателя; 3 — шестерня коленчатого вала; 4, 5— шестерни привода шестеренных насосов гидравлической системы; 6 — шестерня распределительного вала; 7 — промежуточная шестерня; 8 — шестерня топливного насоса двигателя; Р — метка совмещения шестерни распределительного вала и промежуточной шестерни; К — метка совмещения шестерни коленчатого вала и промежуточной шестерни; Н, Т — метки совмещения промежуточной шестерни и шестерни топливного насоса двигателя
Декомпрессионный механизм дизелей тракторов применяется для облегчения проворачивания коленчатого вала при пуске холодного двигателя, а также при регулировке зазоров клапанов.