Распределительный механизм и охлаждение двигателя

Современный транспорт » Распределительный механизм и охлаждение двигателя

В распределительный механизм входят клапаны, распределительный вал, пружины, толкатели и привод к распределительному валу. Этот механизм предназначен для управления наполнением цилиндров свежей рабочей смесью (или воздухом в дизелях) и выпуском отработавших газов из цилиндров.

Распределительные механизмы выполняются двух разновидностей, определяемых расположением клапанов: механизм с нижними (боковыми) и механизм с верхними (подвесными) клапанами; нижние клапаны располагаются в блоке цилиндров, а верхние — в головке цилиндров.

Современные двигатели имеют верхние клапаны. Верхнее расположение клапанов показано на примере устройства распределительного механизма двигателя ГАЗ-53 (рис. 20). Распределительный вал через кулачок и толкатель /действует не непосредственно на клапан, а через систему, состоящую из штанги 2, регулировочного винта 7 с гайкой 6, коромысла 5 с осью 8. Эти детали своей массой увеличивают силы инерции частей, движущихся возвратно-поступательно, поэтому ставят усиленные клапанные пружины 12.

Клапан 3 движется в направляющей 4; при уходе кулачка из-под толкателя пружина прижимает клапан к его седлу и возвращает все детали в исходное положение.

Иногда внутри первой ставят вторую пружину (двигатели ЯМЗ-236, ЯМЗ-238), которая кроме усиления узла, исключает опускание клапана в цилиндр при поломке одной из них; вторая пружина, кроме того, позволяет сократить общую высоту клапанной группы.

Коромысла устанавливаются на пустотелой оси в подшипниках, я ось находится в кронштейнах, крепящихся к головке блока цилиндров. Плечо, находящееся под действием штанги, выполняется короче другого плеча, действующего на клапан. Неравенство длины плеч коромысла позволяет сократить перемещения и ускорения толкателя при необходимых перемещениях клапана.

.Вместе с тем при более длинном плече точка касания клапана с рычагом движется по дуге большего радиуса и меньше отклоняется от осевой линии клапана, что сокращает поперечные проскальзывания этой точки по торцу стержня клапана и противодействует перекосу клапана.

При верхнем расположении клапанов удается получить камеру сгорания близкой к полусферической, а также несколько улучшить наполнение цилиндров из-за более плавных форм каналов для прохождения смеси.

Количество кулачков распределительного вала соответствует числу клапанов, а расположение их на валу определяется условием чередования вспышек в соответствии с формой коленчатого вала, числом цилиндров и принятым порядком работы двигателя. Форма, количество и расположение кулачков должны обеспечивать своевременное и достаточно полное открытие клапанов.

Из работы четырехтактного двигателя ясно, что на цикл, занимающий два оборота коленчатого вала, приходится одно открытие каждого клапана, т. е. двум оборотам коленчатого вала должен соответствовать один оборот кулачка (распределительного вала). Поэтому передаточное число привода от коленчатого вала к распределительному должно быть равно двум (число зубьев шестерен коленчатого вала делается в два раза меньше числа зубьев шестерни распределительного вала).

Клапанная группа

Форма впускных и выпускных клапанов чаще всего одинакова; клапан состоит из плоской головки и стержня. Плавный переход от головки к стержню повышает отвод тепла от головки, делает его более прочным и улучшает обтекание головки клапана газами. На конце стержня клапана имеется выточка для крепления опорной тарелки со втулкой 10 (см. рис. 20), -закрепляемыми разрезными коническими сухариками 9; эти детали удерживают пружину 12.

Наклонное расположение клапана относительно оси цилиндра способствует созданию улучшенной (клиновой) формы камеры сгорания:

Для плотного прилегания клапана к седлу имеется коническая заточка (фаска). Такая же заточка выполняется и в седле, обычно под углом 0,8 рад (45°) и реже 0,5 рад (30°); меньший угол расширяет проход для газа, но делает головку менее жесткой и массивной".

В процессе выпуска перепад давлений газов значительно превышает перепад при впуске, поэтому для улучшения наполнения диаметр впускного клапана несколько больше, чем у выпускного.

Выпускные клапаны изготовляют из различных жароупорных сильхромовых или хромоникелевольфрамовых сталей, а впускные— из хромоникелевых или хромистых сталей с содержанием углерода около 0,4%. В некоторых двигателях части выпускного клапана выполняют из различных сталей. Так, например, головку делают из жароупорной стали, а стержень — из хромистой, соединяют эти части клапана сваркой.

Температура впускных клапанов достигает 300-400, а выпускных — 600-800° С.

Тяжелые температурные условия работы выпускных клапанов способствуют износу поверхностей, на которые опираются головки клапанов. Для снижения износа в головку запрессовывают седла в виде колец 14 из жароупорной стали или специального чугуна (рис. 21). Вместе с тем посадочная фаска 12 выпускного клапана на плавляется жаростойким сплавом.

Для охлаждения выпускного клапана во внутреннее сверление его стержня помещается натрий , удерживаемый приваренной заглушкой 13; плавление натрия обеспечивает отвод тепла от головки к стержню и направляющей клапана.

В некоторых современных двигателях применяется приспособление для небольшого поворота выпускного клапана вокруг своей оси при каждом подъеме, что предотвращает образование нагара на посадочной фаске и прогара ее. Клапан поворачивается механическим приспособлением, расположенным под опорной шайбой пружины, и действует от давления этой пружины.

Приспособление состоит из шариков 3, дисковой 9 и возвратной 10 пружин и неподвижного корпуса 2 (см. рис. 21). При открытии клапана его пружина через дисковую давит на шарик который перекатывается по наклонному углублению и сжимает возвратную пружину, действующую на дисковую пружину.

Таким образом возвратная пружина поворачивает дисковую, а вместе с ней опорную шайбу клапанной пружины, саму клапанную пружину и клапан. Во время закрытия клапана давление клапанной и дисковой пружин уменьшается и возвратная пружина перемещает шарик в исходное положение Клапаны с поворотом применяются и в двигателях ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238. Поворотное приспособление повышает работоспособность клапана.

В быстроходных двигателях возникает опасность поломки клапанных пружин в результате резонанса их колебании. Опасность эта уменьшается, если применить пружины с переменным шагом навивки, уменьшающимся от середины по направлению к опорным виткам.

Клапанные пружины изготовляют из марганцовистой стали, а направляющие клапанов — из чугуна. В двигателях ЗИЛ-130 и ЯМЗ-236 пористые металлокерамические втулки-направляющие обеспечивают хорошую смазку.

Группа толкателя

Между стержнем клапана или штангой и распределительным валом располагается толкатель (см. рис, 20), движущийся в выточке в блоке цилиндров или в головке. При помощи толкателя вращение кулачка распределительного вала преобразуется в поступательное движение стержня клапана или штанги. Кроме того, толкатель освобождает стержень клапана или штангу от боковых усилий, создаваемых кулачком.

Толкатели выполняются пустотелыми для облегчения их веса, и с увеличенными диаметрами для уменьшения износа·. Толкатель опирается на распределительный вал своей головкой. Головка может быть плоской или выпуклой и для износоустойчивости наплавляется специальным чугуном.

Толкатель двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 выполнен качающимся и имеет ролик 2, который обкатывается по кулачку (рис. 22). Роликовый толкатель уменьшает трение и износ толкателя и кулачка.

С целью распределения износа по всей боковой поверхности возвратно-поступательно движущегося толкателя середину кулачка (в плоскости, перпендикулярной оси распределительного вала) смещают относительно оси толкателя, вследствие чего кулачок, поднимая толкатель, одновременно поворачивает его.

В процессе работы двигателя нагрев деталей распределительного механизма может нарушить правильную работу его; так, стержень

клапана, удлиняясь от нагрева, может упереться в толкатель и не допустить плотной посадки клапана. Для предотвращения этого между толкателем (или коромыслом) и стержнем клапана должен быть обеспечен зазор, который позволит удлиниться стержню клапана без упора в толкатель. Этот зазор регулируется гайкой (двигатель ГАЗ-53, см. рис. 20). или регулировочным винтом с гайкой и контргайкой (двигатель ЗИЛ-130). Величина зазора в холодном (непро-гретом) состоянии колеблется от 0,25 до 0,30 мм у двигателей ГАЗ-53, ЯМЗ-236 и 0,40—0,45 мм— у двигателей ЗИЛ-130

Толкатели изготовляют из стали и чугуна. Штангу 2 (см. рис. 20) обычно выполняют трубчатой из стали или дюралюмина.

Коромысло 5 (см. рис. 20) изготовляют из ковкого чугуна и стали, а также штампуют, из листовой стали, а втулка делается обычно из бронзы.

Группа распределительного вала и фазы распределения

Наиболее сложной деталью механизма распределения является распределительный вал, обеспечивающий необходимое управление клапанами. Он состоит из кулачков / (по два на цилиндр) и опор 2 (рис. 23). Дополнительно вал имеет шестерню 3 с винтовыми зубьями для привода масляного насоса и распределителя системы зажигания. Перечисленные детали выполняются с валом за одно целое. Профили кулачков обеспечивают плавное движение клапана и необходимую продолжительность его открытия. Угол между одноименными кулачками для четырехцилиндрового четырехтактного двигателя равен 1,57 рад (90°), для шестицилиндрового — 1,05 рад (60°) и восьмицилиндрового — 0,8 рад (45°.)

Расположение одноименных кулачков на валу соответствует порядку работы двигателя. Углы между разноименными кулачками определяются моментами открытия клапанов. Для предупреждения прогиба сравнительно тонких и длинных распределительных валов и нарушения работы всего механизма делается больше опор валов и размещаются они между цилиндрами. У двигателей автомобилей ГАЗ-53, ЗИЛ-130 и ЯМЗ-238 имеется по пяти опор, а у ЯМЗ-236 — четыре.

Опорные шейки распределительного вала работают в бронзовых и биметаллических (двигатель ГАЗ-53) втулках-подшипниках, расположенных в картере-блоке двигателя. Диаметры опорных шеек делают последовательно уменьшающимися для возможности монтажа вала в картере двигателя.

Наличие косозубых шестерен на распределительном валу и конусность на кулачках отдельных двигателей создают усилия, стремящиеся сдвинуть вал в осевом направлении. Валы удерживаются от ' осевых перемещений специальной шайбой, прикрепляемой к блоку. В эту шайбу упирается вал своей передней опорной шейкой или винтом, ввертываемым снаружи в крышку распределительных шестерен, а также упорным фланцем, крепящимся к переднему торцу блока болтами (автомобили ГАЗ-53, ЗИЛ-130).

Распределительные валы изготовляют штамповкой из стали или отливкой их из специального чугуна, кулачки и опорные шейки подвергают закалке.

Привод к распределительному валу осуществляется обычно двумя (парой) шестернями. Для уменьшения шума их выполняют с косыми зубьями, а большая из них (шестерня распределительного вала) изготовляется из текстолита (двигатель ГАЗ-53) или чугуна (двигатель ЗИЛ-130). Шестерня коленчатого вала обычно стальная.

Шестерни привода распределительного механизма имеют торцовые метки для правильной установки их в соответствии с моментами открытия клапанов.

Привод к распределительному валу чаще всего расположен в передней части двигателя и закрыт крышкой.

В рядных двигателях распределительный вал расположен с одной стороны двигателя, а в V-образных — размещается между рядами цилиндров.

При рассмотрении работы двигателя было установлено, что теоретическое протекание отдельных тактов в полном соответствии с каждым полуоборотом коленчатого вала не обеспечивает хорошего тепло-использования топлива. Для лучшего наполнения цилиндра свежей смесью и лучшей очистки цилиндра от отработавших газов фазы распределения (моменты) начала и конца каждого процесса несколько сдвигаются против теоретических, соответствующих мертвым точкам. Процессы становятся более продолжительными, в них используется инерция смеси и газов. Впускной клапан открывают с опережением (до в. м. т.), чтобы использовать инерцию выходящих отработавших газов для подсасывания свежей смеси.

Для лучшего наполнения цилиндра используются разрежение над поршнем в начале выхода его из нижней мертвой точки и инерция свежей рабочей смеси, входящей в цилиндр с большой скоростью, в результате закрытие впускного клапана происходит с некоторым запаздыванием. Эффективность выталкивания отработавших газов из цилиндра зависит от момента начала этого процесса: захватывая конец расширения, можно за счет части рабочего хода, потеряв некоторую долю работы расширения, улучшить процесс выпуска (он происходит в этом случае с опережением). Используя давление и инерцию отработавших газов, целесообразно для лучшего очищения цилиндра закрывать выпускной клапан не в верхней мертвой точке, а несколько позже. Моменты начала и конца впуска и выпуска зависят от быстроходности (числа оборотов в минуту) двигателя; с увеличением ее фазы расширяются.

Наглядное изображение фаз распределения получается в системе круговой диаграммы, где по углу поворота кривошипа размечены такты работы двигателя (рис. 24). Выпуск начинается в А с опережением а=0,16- 0,42 рад (9—24°) и заканчивается в β с опозданием β = =0,8-1,2 рад (46-70°). От β до С идет сжатие и расширение, в С начинается выпуск с опережением J = 0,86-1,16 рад (50-67°) и заканчивается в D с запаздыванием Δ=0,17-0,52 рад (10-30°). Таким образом, продолжительность впуска равна

продолжительность выпуска

Одновременноеоткрытое состояние впускного и выпускного клапанов называется перекрытием клапанов, и оно равно

Для упрощения изготовления распределительного вала иногда продолжительность впуска и выпуска делается одинаковой (в двигателях ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238).

В табл. 5 приведены характеристики распределительных механизмов.

Распределительный механизм и охлаждение двигателя

Главное меню