Глава 13 Газораспределительный механизм (ГРМ)
4.5.1 Газораспределительный механизмМеханизм газораспределения служит для осуществления своевременного впуска в цилиндр горючей смеси (например, бензина и воздуха) и выпуска отработавших газов. В головке блока цилиндров помещаются минимум два клапана – впускной и выпускной. Клапаны приводятся в движение деталями механизма газораспределения. Через впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь или воздух; через выпускной клапан выходят отработавшие газы в атмосферный воздух через систему выпуска.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.2 Устройство и принцип действия механизма газораспределения
В бензиновых и дизельных двигателях применяется механизм газораспределения клапанного типа, сейчас уже, в основном, с верхним расположением клапанов.
Это значит, что клапаны находятся сверху, в головке блока цилиндров, как показано на рисунке 4.8.
Так, при верхнем расположении клапаны с пружинами и деталями их крепления установлены в направляющих втулках в головке блока цилиндров, в которой также отлиты впускные и выпускные каналы.
Рисунок 4.8 Головка блока цилиндров с газораспределительным механизмом.
Усилие от кулачков распределительного вала, расположенного здесь же – в головке блока, к клапанам передается с помощью толкателей и/или коромысел. Коромысла установлены шарнирно на оси, закрепленной на головке блока. Клапаны на головке закрыты крышкой.
Комментарии пользователей (1)
Задать вопрос преподавателю (в обсуждении 1 комментариев)
4.5.3 Тепловой зазор
Между стержнем клапана, толкателем или концом коромысла газораспределительного механизма должен быть зазор (так называемый тепловой зазор), который необходим для компенсации удлинения стержня клапана при его нагревании без нарушения плотности посадки клапана в гнезде.
Величина зазора для двигателей разных марок устанавливается для впускных клапанов в холодном состоянии в пределах 0,15—0,30 мм, а для выпускных клапанов, подвергающихся большему нагреву, — в пределах 0,20—0,40 мм. Однако же, у некоторых производителей зазор может быть таков, что не попадет в указанные диапазоны.
Для регулировки величины этого зазора в механизме предусмотрены регулировочные устройства. Хотя слово «устройство» слишком громкое для регулировочного болта и стопорной гайки (Рисунок 4.9) или шайб различной толщины (Рисунок 4.10).
Рисунок 4.9 Регулировка теплового зазора с помощью болта.
Рисунок 4.10 Регулировка теплового зазора с помощью шайб
Б – головка блока цилиндров с распределительным валом).
Сейчас очень распространена конструкция с гидравлическими компенсаторами, которые под давлением масла подводят коромысло или толкатель к кулачку распределительного вала, убирая тем самым негативное последствие теплового зазора, а именно — удар кулачка о толкатель во время работы. Но стоит упомянуть, что установка гидрокомпенсаторов удорожает конструкцию головки блока цилиндров и повышает свои требования к качеству используемого моторного масла и к частоте его замены, поскольку масляные каналы компенсатора могут забиваться продуктами износа.
Примечание
Более подробно о гидрокомпенсаторах приведено ниже.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю4.5.4 Предварительно о распределительном вале
Примечание
Почему предварительно? Потому что для целостности восприятия данного раздела о распределительном вале необходимо сказать несколько слов, а более подробное описание данной детали будет дано ниже.
Правильность чередования различных тактов в цилиндрах двигателя достигается соответствующим расположением кулачков на распределительном валу, а также правильностью установки зацепления распределительных шестерен/шкивов с приводной шестерней/шкивом коленчатого вала.
В четырехтактном двигателе рабочий цикл во всех цилиндрах завершается за два оборота коленчатого вала. За это время в каждом цилиндре должны по одному разу открыться и закрыться впускной и выпускной клапаны, что происходит за каждый оборот распределительного вала. Таким образом, распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее коленчатого вала. Для этого шестерня распределительного вала имеет вдвое большее число зубьев, чем шестерня коленчатого вала, либо же шкив по диаметру должен быть в два раза больше шкива коленчатого вала.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.
5.5 Фазы газораспределения четырехтактного двигателяДля лучшего наполнения цилиндров свежим зарядом и наиболее полной очистки их от отработавших газов моменты открытия и закрытия клапанов в четырехтактных двигателях не совпадают с положениями поршней в ВМТ и НМТ, а происходят с определенным опережением или запаздыванием. Иначе говоря, впускной клапан может закрываться после того, как поршень пройдет НМТ, а выпускной — закрываться после ВМТ.
Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах, соответствующих величинам углов поворотов кривошипа коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения. Фазы газораспределения могут быть нанесены на круговую диаграмму, называемую диаграммой газораспределения, как показано на рисунке 4.11.
Пожалуй, будет проще показать это на примере. Так, если говорят, что клапан открывается за 5 градусов до ВМТ, значит клапан начал открываться в то время, когда кривошип коленчатого вала, к которому присоединен шатун поршня, находился за 5 градусов до верхней мертвой точки.
Рисунок 4.11 Диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.5.a Впускной клапан
Впускной клапан начинает открываться немного раньше, чем поршень придет в ВМТ. При этом к началу хода поршня вниз при такте впуска клапан уже немного откроется. Опережение открытия впускного клапана для двигателей разных моделей колеблется в разных диапазонах. Зачастую закрытие впускного клапана происходит с определенным запаздыванием, когда поршень перейдет НМТ и начнет двигаться вверх. При этом некоторое время после перехода НМТ, несмотря на начавшееся незначительное движение поршня вверх, заполнение цилиндра зарядом будет продолжаться вследствие некоторого разрежения, еще имеющегося в цилиндре, а также вследствие инерции заряда, движущегося во впускном трубопроводе.
Примечание
Однако стоит отметить, что существует как минимум два цикла, именуемых циклами Миллера и Аткинсона, при которых впускной клапан закрывается не так, как на обычных ДВС.
Таким образом, время открытия впускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала; продолжительность впуска при этом увеличивается, и цилиндр более полно заполняется свежим зарядом.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.5.b Выпускной клапан
Выпускной клапан открывается раньше прихода поршня в НМТ.
При этом газы, находясь в цилиндре под большим давлением, быстро начинают выходить наружу, несмотря на то, что поршень еще движется вниз. Затем поршень, пройдя НМТ и двигаясь к ВМТ, будет выталкивать оставшиеся в цилиндре газы. Выпускной клапан закрывается тогда, когда поршень перейдет ВМТ.
Несмотря на то, что поршень начнет уже немного опускаться вниз, газы будут продолжать выходить из цилиндра по инерции и вследствие отсасывающего действия потока газов, движущихся в выпускном трубопроводе. Таким образом, время открытия выпускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала, и цилиндр лучше очищается от отработавших газов.
Примечание
Угол поворота кривошипа, соответствующий положению, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно открыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие незначительности этого угла и ничтожной величины зазора между клапанами и гнездами, возможность утечки горючей смеси исключена. Перекрытие клапанов необходимо для дополнительной продувки цилиндра с целью лучшей наполняемости свежим зарядом.
Некоторое уменьшение давления газов на поршень, происходящее при рабочем ходе вследствие раннего открытия выпускного клапана, и потеря части работы газов при этом восполняются тем, что поршень, движущийся при такте выпуска вверх, не испытывает большого сопротивления от газов, оставшихся в небольшом количестве в цилиндре.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.6 Изменение фаз газораспределения
С развитием технологий перед конструкторами и инженерами открылись серьезные перспективы в повышении эффективности работы двигателя – увеличение мощности с одновременным снижением расхода топлива стало новым трендом в автомобильной промышленности. Для того, чтобы оптимизировать работу двигателя внутреннего сгорания, необходимо подстраивать фазы газораспределения под все режимы нагрузки – от холостого хода до полной нагрузки.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.6.a Обороты холостого хода
Примечание
Обороты холостого хода — это минимальные обороты, при которых двигатель может работать устойчиво без нагрузки.
Вы запустили двигатель, при этом никакого движения и воздействия на педаль газа не происходит.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.6.b Опережение зажигания
А как изменять фазы газораспределения? — Проворачивать распределительный вал относительно коленчатого вала, изменяя тем самым моменты открытия клапанов. Прибавим к этому управление опережением зажигания* и это даст возможность управлять началом и концом тактов двигателя и позволило настолько оптимизировать работу ДВС, что показатели мощности и расхода топлива улучшились многократно.
Примечание
* Опережение зажигания. Для того чтобы топливовоздушная смесь успела сгореть, пока поршень движется от верхней мертвой точки к нижней, ее необходимо поджигать немного раньше. Основным показателем является угол опережения зажигания, который говорит нам о том, за сколько градусов до ВМТ на такте сжатия возникнет пробой между электродами свечи.
В зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель угол опережения зажигания должен изменяться, что реализуется с помощью распределителя зажигания или электронного блока управления двигателя (подробнее об этом рассмотрено в главе «Электрооборудование и электросистемы», раздел «Система зажигания»).
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.6.c Суть системы
Суть системы проста. На распределительный вал (или валы) устанавливается специальный механизм, на внешней части которого есть звездочка для приводной цепи от коленчатого вала. Механизм этот устанавливается так, что может проворачивать распределительный вал в сторону опережения или запаздывания, в зависимости от режима работы двигателя.
Если говорить более подробно, то работа механизма изменения фаз газораспределения (фазовращателя) происходит, как описано ниже.
Коленчатый вал через приводную цепь вращает фазовращатель, который установлен на распределительном валу. В момент, когда необходимо сместить время открытия клапанов в сторону запаздывания или опережения, фазовращатель проворачивает распредвал в соответствующую сторону.
Рисунок 4.12 Внешний вид фазовращателя.
Фазовращатели, в основном, устанавливают на впускной распределительный вал (вал, который открывает только впускные клапаны), но сейчас все чаще данные механизмы монтируют на оба распредвала – впускной и выпускной.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.7 Изменяемая высота клапана
В современных бензиновых двигателях количество топливной смеси регулируется с помощью дроссельной заслонки – заслонка открывается, поступает больше воздуха, в соответствии с этим впрыскивается больше топлива.
Воздух, необходимый для приготовления топливовоздушной смеси, пока доберется до цилиндра, преодолеет несколько весьма неприятных препятствий: воздушный фильтр, дроссельную заслонку, клапаны, а это все потери, которые напрямую влияют на мощность ДВС. Попробуйте сами подышать в противогазе не с угольным а с бумажным фильтром… Вот так и двигателю «тяжело дышать». Одно из препятствий на пути воздуха, от которого мечтали избавиться конструкторы, это дроссельная заслонка. Однако как регулировать количество впускаемого воздуха? Решение снова было связано с клапанами. Пришли к тому, что необходимо регулировать высоту клапана. Были системы со ступенчатым регулированием высоты клапана, а именно: клапан открывался только на три разные высоты. Затем придумали систему бесступенчатого открытия клапанов с диапазоном открытия от 1 мм до 10 мм. Это позволило избавиться от дроссельной заслонки – двигателю стало легче «дышать». Однако избавление от дроссельной заслонки изменением высоты открытия клапанов не является самоцелью.
Контроль над работой клапанов позволяет еще больше отточить работу четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.8 Детали клапанной группы
К клапанной группе относятся клапан, направляющая втулка клапана, клапанная пружина с опорной шайбой и деталями крепления (они же — «сухари»). Все описанное приведено на рисунке 4.14.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.8.a Клапан
Клапан служит для закрытия и открытия впускных или выпускных каналов в головке блока цилиндров. Основными элементами клапана являются тарелка и стержень.
Рисунок 4.13 Клапан.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.
5.8.b Тарелка клапанаТарелка клапана имеет шлифованную конусную рабочую поверхность — фаску (обычно под углом 45°), которой клапан плотно притерт к седлу.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.8.c Стержень клапана
Стержень клапана отшлифован и проходит через направляющую втулку. На конце стержня клапана имеется канавка или отверстие для крепления опорной шайбы пружины. Разноименные клапаны имеют тарелки различных диаметров (зачастую, больший — у впускного клапана) или отличаются специальными метками.
Рисунок 4.14 Клапанный механизм.
Комментарии пользователей (1)
Задать вопрос преподавателю (в обсуждении 1 комментариев)
4.5.8.d Направляющая втулка
Направляющая втулка, в которой клапан устанавливается стержнем, обеспечивает точную посадку клапана в седло.
Втулки запрессовывают в головку цилиндров.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.8.e Клапанная пружина
Клапанная пружина удерживает клапан в закрытом положении, обеспечивая плотную его посадку в гнезде, а также создает постоянное прижатие толкателя к поверхности кулачка распределительного вала. Пружину надевают на выходящий из втулки конец стержня клапана и закрепляют на нем в сжатом состоянии с помощью опорной шайбы с коническими разрезными сухарями, которые входят в выточку на стержне клапана. Иногда на клапан устанавливают две пружины: пружину меньшего диаметра — внутрь пружины большего диаметра. Это делается для того, чтобы избежать резонанса пружины на определенных частотах работы двигателя, а также для подстраховки на случай поломки пружины. Часто применяются пружины с переменным шагом витков. Это исключает вероятность возникновения вибрации пружины и ее поломки при большом числе оборотов коленчатого вала двигателя.
При установке двух пружин их подбирают таким образом, чтобы направление навивки их витков было выполнено в разные стороны, что также устраняет опасность возникновения резонансных колебаний пружин.
Для ограничения количества масла, поступающего в направляющую втулку, и устранения подсоса масла в цилиндр через зазоры во втулке на верхних впускных клапанах под опорной шайбой ставят маслосъемные колпачки.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.8.f Толкатель
Толкатель служит для передачи осевого усилия от кулачка распределительного вала на стержень клапана или на штангу. Дело в том, что передавать усилие от кулачка распредвала лучше именное через промежуточное звено – толкатель. Поскольку при длительной работе элементы клапанного механизма изнашиваются и, когда приходит время замены чрезмерно износившихся деталей, проще заменять небольшой толкатель, нежели целый распредвал или клапаны.
Рисунок 4.15 Головка блока цилиндров с элементами газораспределительного механизма.
Как было отмечено выше, сейчас получили широкое распространение так называемые гидрокомпенсаторы. «Гидро», потому что работают за счет давления моторного масла, а «компенсаторы», так как компенсируют или, проще говоря, сводят на нет зазор между кулачком распределительного вала и толкателем во время работы.
Толкатели в большинстве двигателей устанавливают без втулок непосредственно в отверстия приливов головки блока цилиндров. В некоторых двигателях для толкателей имеются направляющие втулки, отлитые секцией на несколько цилиндров.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.8.g Коромысло
Коромысло. Изменяет направление передаваемого движения. Устанавливают зачастую, когда распределительный вал один, а клапанов на цилиндр два или четыре, но расположены они особым образом (смотрите рисунок 4.
16). Коромысла устанавливают на бронзовых втулках или без втулок на осях, которые при помощи стоек закреплены на головке блока. Одно плечо коромысла располагается над стержнем клапана, а другое — под или над кулачком распределительного вала. Для регулировки зазора между стержнем клапана и коромыслом в конец коромысла вкручен регулировочный винт с контргайкой.
Рисунок 4.16 Привод клапанов через коромысло.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.9 Распределительный вал и его привод
Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Вал имеет впускные и выпускные кулачки (смотрите рисунок 4.17) и опорные шейки*.
Рисунок 4.17 Газораспределительный механизм в сборе.
Примечание
* На рисунке 4.17 опорные шейки не показаны, так как изображение схематическое и приведено для предварительного ознакомления.
Получить представление о внешнем виде распределительных валов можно из рисунка 4.18.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.9.a Кулачки
Кулачки изготавливают как одно целое с валом. Однако существуют сборные конструкции, когда кулачки напрессовывают на вал.
Для каждого цилиндра у четырехтактных двигателей в зависимости от количества клапанов имеются два и более кулачков: впускных и выпускных. Форма кулачка обеспечивает плавный подъем и опускание клапана и соответствующую продолжительность его открытия. Одноименные кулачки для каждого цилиндра (например, впускные) располагают в четырехцилиндровых двигателях под углом 90°, в шестицилиндровых — под углом 60° и в восьмицилиндровых — под углом 45°. Разноименные кулачки (впускные и выпускные) устанавливают под углом, величина которого зависит от фаз газораспределения.
Вершины кулачков располагаются в принятом для двигателя порядке работы с учетом направления вращения вала.
Рисунок 4.18 Головка блока цилиндров с распределительными валами.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.10 Как распредвал приводится во вращение?
Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом разными способами. Наиболее распространены цепной и поясной приводы, реже используется шестеренный или комбинированный.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.10.a Цепной привод
Цепной привод. На конце коленчатого и распределительного валов устанавливают звездочки (как на велосипеде) и надевают приводную цепь.
Для того чтобы исключить биение цепи, дополнительно устанавливают успокоитель, который представляет собой длинную планку, по которой перемещается цепь. Обычно с другой стороны устанавливают направляющую натяжителя цепи. Цепной привод можно изучить так же на рисунках 4.19 и 4.20.
Рисунок 4.19 Схема цепного привода газораспределительного механизма.
Рисунок 4.20 Пример цепного привода газораспределительного механизма.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.10.b Ременной привод
Ременной привод. На коленчатый и распределительный валы устанавливаются зубчатые шкивы, чем-то напоминающие звездочки, однако намного шире их. На эти зубчатые шкивы надевается зубчатый ремень. Для удобства снятия и установки приводного ремня устанавливают натяжитель ремня (часто автоматический). Пример привода распределительного вала (или валов) с помощью зубчатого ремня приведен на рисунках 4.
21 и 4.22.
Рисунок 4.21 Схема ременного привода газораспределительного механизма.
Рисунок 4.22 Пример ременного привода газораспределительного механизма.
Комментарии пользователей (1)
Задать вопрос преподавателю (в обсуждении 1 комментариев)
4.5.10.c Шестеренный привод
Шестеренный привод. Привод распределительного вала осуществляется от шестерни на коленчатом валу через ряд промежуточных шестерен или напрямую, как показано на рисунке 4.23.
Рисунок 4.23 Шестеренный привод газораспределительного механизма.
Комментарии пользователей (2)
Задать вопрос преподавателю (в обсуждении 2 комментариев)
4.5.11 Отключаемые клапаны
В погоне за экономичностью конструкторы решали одну из беспокоящих их проблем: что делать, когда двигатель, работая, использует всего 15–20 % своей мощности.
Такое бывает, когда мы стоим, например, в пробке или едем по трассе на крейсерской скорости.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.11.a Крейсерская скорость
Примечание
Крейсерская скорость – скорость, при которой достигаются оптимальные показатели топливной экономичности. Термин, конечно, более подходящий для авиационной промышленности, однако, если мы едем по магистрали на пятой, а то и шестой передаче, то он вполне применим и в этой отрасли.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
4.5.11.b Кулачки с «нулевой высотой»
А если мощность используется не вся, то зачем работать всем цилиндрам двигателя? Что, если взять и отключить, например, на стоящем в пробке автомобиле, два из четырех цилиндров.
Ведь пары цилиндров вполне хватит для того, чтобы двигатель работал на холостых оборотах. В оставшиеся два цилиндра перестают подавать топливо и, чтобы они попросту не перекачивали воздух по впускному и выпускному коллектору, закрывают впускные и выпускные клапаны. Для выполнения такой незамысловатой операции придумали относительно простое решение: на распределительном вале рядом с обычными кулачками расположили кулачки с «нулевой высотой», то есть они никак не воздействуют на толкатель клапана.
Так при нормальной работе распределительный вал вращается и все клапаны выполняют свое назначение, а когда возникает необходимость в отключении клапанов, открывается специальный клапан, через который моторное масло под давлением, воздействуя на распределительный вал, смещает его в направлении продольной оси; кулачки с обычным профилем как открывали, так и открывают клапаны, а там где кулачки имеют «нулевую высоту», они просто-напросто не достают до клапанов, и те, в свою очередь, стоят неподвижно.
Примечание
Различные фирмы в разные времена предложили несколько схем реализации описанной выше операции по отключению части клапанов. Выше приведен лишь один из способов.
Комментарии пользователей (0)
Задать вопрос преподавателю
Быстроходные клапаны. Схемы газораспределительных механизмов
сообщение №948
1. Самая старая схема («Де Дион Бутон» 1901 года): «автоматический» впускной клапан, выпускной клапан — нижний с механическим приводом.Для четырехтактных автомобильных двигателей на протяжении всей их истории развития устройство клапанного механизма имело решающее значение. Расположение и число клапанов, система привода тесно связаны с формой камеры сгорания и каналов. Следовательно, от выбора конструкции этого механизма зависит, каким будут наполнение цилиндров, число оборотов двигателя, его мощность.
То или иное строение привода клапанов далеко не всегда диктуется только желаниями конструктора.
Прямо или косвенно на него влияют технолог (производственные возможности изготовления выбранного варианта), экономист (оценка масштабов и дороговизны производства), потребитель (технические параметры, удобство эксплуатации). Однако право начать первым, естественно, за конструктором. Люди этой профессии всегда стремились получить наивысшую отдачу, в частности, как можно большую мощность, а она в значительной степени зависит от быстроходности двигателя.
Первые автомобильные моторы К. Бенца и Г. Даймлера развивали максимальную мощность при 300—600 об/мин. Применявшийся на них газораспределительный механизм состоял из нижнего выпускного клапана и верхнего впускного. Привод выпускного был механическим (кулачок и толкатель), впускной — действовал «автоматически». Когда поршень шел вниз и разрежение в цилиндре достигало максимума, оно преодолевало сопротивление слабенькой пружины, державшей клапан в закрытом положении, и начинался такт впуска.
И, естественно, не было никакого опережения открытия впускного клапана (по отношению к ВМТ).
Мотор с клапанным механизмом по схеме 1 (см. иллюстрации) редко давал более 1000 об/мин. Неудивительно, что уже к 1904 году такие двигатели почти перестали строить.
3. Типичный нижнеклапанный двигатель (ГАЗ-А 1932 года). Эта конструкция распределительного механизма получила интернациональное обозначение SV.Конструкция с обоими нижними клапанами (схемы 2 и 3) нашла широкое распространение потому, что цепь сопряженных деталей (кулачок—толкатель—клапан) получалась короткой. Инерция ее невелика, и такой механизм безболезненно выдерживает (как позже показала практика 30-х и 40-х годов) до 5000 об/мин. В первые же два десятилетия нашего века эта схема обеспечивала надежную работу на принятых тогда более скромных режимах — до 2500 об/мин. Искусством добиться высокого качества клапанных пружин в те далекие годы владели не все заводы. А при нижнеклапанной схеме в случае поломки пружины клапан не падал в цилиндр и не устраивал там погром.
Он всегда возвращался в седло, как только кулачок переставал давить снизу; мотор издавал бормочущие звуки, но работал — тоже привлекательное качество.
Не сразу технологи научились делать хорошие отливки для картера двигателя по схеме 3, задуманной конструкторами, где все клапаны сгруппированы с одной стороны блока цилиндров. Поэтому на первых порах предпочтение получили более простые и более дешевые отливки блоков по схеме 2. Рассматривая сегодня обе эти схемы, можно удивляться, какой извилистый путь проходила смесь, пока из карбюратора добиралась до цилиндров. Разумеется, их наполнение и мощностные показатели при схемах 2 и 3 оставляли желать лучшего. Невыгодной была и форма камеры сгорания — с очень большой поверхностью рассеивания тепла, а точнее сказать, с большими потерями его.
4. Смешанная схема с верхним впускным клапаном и нижним выпускным («Ровер» 50-х годов). Как и первую схему, ее сокращенно обозначают IOE.Конструкторы, стремясь устранить эти недостатки, применили схему 4, которая по существу явилась усовершенствованным вариантом схемы 1.
Такое компромиссное решение несколько улучшило наполнение цилиндров горючей смесью. По сравнению со схемой 1 оно давало все же небольшой прирост в быстроходности. Применение механического привода впускного клапана сопровождалось и приростом мощности в 10—15%.
Следующий шаг — клапаны, расположенные в головке (схема 5) с приводом в виде толкающих штанг. Этот вариант обеспечивал хорошее наполнение цилиндров и позволял (судя по опыту форсировки таких двигателей) достигать даже 6500—7000 об/мин. Кроме того, верхнеклапанная конструкция давала ощутимое упрощение отливки блока цилиндров (нет сложных приливов под каналы в его боковой части), но в то же время несколько усложняла головку.
5. Двигатель с верхними, то есть расположенными в головке, клапанами, приводимыми посредством толкающих штанг («Опель-кадетт» 1973 года).Двигатели, выполненные по схеме 5, появившиеся в самом начале XX века, оказались более шумными: в них больше движущихся деталей, контактирующих между собой, и потому потребитель не очень жаловал их.
На их репутации сказались и разрушительные последствия, которые влекло падение клапана в цилиндр при поломке пружины. Однако постоянное совершенствование методов производства, материалов и их термообработки свело все минусы на нет. И тогда, в конце 30-х годов обозначился плюс: большая быстроходность и выигрыш в мощности (на 25—30%) по сравнению с двигателем схемы 3. В это же время конструкторы стали отдавать должное и схеме 6. Расположенные под углом клапаны, хотя и приводятся толкающими штангами (то есть выигрыша в быстроходности по сравнению со схемой 5 тут нет), позволяют придать камере сгорания полусферическую форму. В сочетании с впускными и выпускными каналами выгодной формы она обеспечивает очень хорошее наполнение цилиндров смесью и, следовательно, высокую мощность. Однако экономичность в этом случае получалась всегда хуже (из-за формы камеры сгорания), чем при схеме 5.
Обе конструкции получили индекс OHV.7. Конструкция с валом в головке и V образным расположением клапанов, на которые кулачки действуют через коромысла («Москвич-412» 1967 года).Для схем 5 и 6 дальнейший путь повышения быстроходности — уменьшение инерции движущихся деталей в клапанном приводе. При высоких оборотах силы инерции оказывают значительное сопротивление пружинам, вызывают упругие деформации штанг и коромысел. В итоге при достижении определенного, предельного числа оборотов теряется механический контакт между деталями привода, наступают сбои в работе мотора, падает мощность.
Облегчение штанг и коромысел не всегда самый дешевый (опять вмешивается экономика!) и удобный для массового производства (технология!) способ. В 50—60-е годы у отдельных моделей распределительный вал был заметно поднят относительно коленчатого вала. Для привода уже служили не шестерни, а цепная передача. Таким образом, штанги стали заметно короче, их инерция ощутимо меньше, и двигатели, выполненные по схемам 5 и 6, могли в обычном, серийном исполнении развивать 4000—5000 об/мин, а в форсированных вариантах без осложнений выдерживать 8000—8500 об/мин.
Следующий логический шаг — поднять распределительный вал так высоко, чтобы вообще исключить толкающие штанги, то есть поместить его в головку двигателя (схемы 7 и 8). Потолок допустимых чисел оборотов тут еще выше — для серийных моторов 6000—6500 об/мин, а для гоночных — 9000—10000 об/мин. Вариация на тему OHC, но с V-образным расположением клапанов представлена на схеме 7, а более простой вариант привода, называемого OHC, показан на схеме 8, когда клапаны расположены в один ряд. Кулачковый вал может действовать на них непосредственно, как на модели «Альфа-ромео альфасуд», либо через одноплечие рычаги, как на «Жигулях», либо через коромысла, как на «Опель-рекорд».
И наконец, «высшую форму» клапанного механизма иллюстрирует схема 9. Она родилась давно. Ее отцом был швейцарец Э. Анри, который ввел два распределительных вала в головке цилиндров еще в 1912 году, благодаря чему сразу же получил 2200 об/мин Эта схема нашла широчайшее применение на гоночных моторах, а за последние 10 лет получила распространение и на серийных двигателях легковых машин.
Первые сегодня вышли на рубеж 12 000 об/мин и даже превысили его, вторые уже освоили 6000 и 7000 об/мин. Переход от схем OHV к ОНС и 2ОНС означал прирост в мощности в среднем на 25—30%.
Погоня за быстроходностью, идущая на протяжении всей истории автомобильного двигателя, заметно изменила его облик. Схемы 1 и 2 давно стали музейным достоянием, схемы 3 и 4 еще можно встретить на машинах прежних выпусков, и даже на двигателях грузовиков они почти изжили себя. За последнее время заметно сократилось число легковых моделей с клапанным механизмом типа OHV (схемы 5 и 6) и широкое распространение получили моторы с одним или двумя распределительными валами в головке цилиндров. Это и неудивительно. За девяносто с лишним лет серийный автомобильный двигатель стал в пятнадцать раз быстроходней.
Л. ШУГУРОВ, инженер (За рулем №1, 1978)
авточтиво, «В мире моторов»
Поделиться в FacebookДобавить в TwitterДобавить в TelegramТипы клапанов поршневых двигателей и конструкция
Топливно-воздушная смесь поступает в цилиндры через отверстия впускных клапанов, а сгоревшие газы выбрасываются через отверстия выпускных клапанов.
Головка каждого клапана открывает и закрывает эти отверстия цилиндра. Клапаны, используемые в авиационных двигателях, представляют собой обычные тарельчатые клапаны. Створки также типичны по форме и называются то ли грибовидными, то ли тюльпанными из-за сходства с формой этих растений. На рис. 1 показаны различные формы и типы этих клапанов.
| Рисунок 1. Различные типы клапанов таким образом, металлический сплав в клапанах должен противостоять всем этим факторам. Поскольку впускные клапаны работают при более низких температурах, чем выпускные, их можно изготавливать из хромоникелевой стали. Выпускные клапаны обычно изготавливаются из нихромовой, сильхромовой или кобальт-хромовой стали, так как эти материалы гораздо более термостойкие. Головка клапана имеет отшлифованную поверхность, которая образует уплотнение относительно шлифованного седла клапана в головке цилиндра, когда клапан закрыт. Шток клапана действует как направляющая для головки клапана и перемещается в направляющей клапана, установленной для этой цели в головке блока цилиндров. [Рисунок 2] Поверхность штока клапана закалена для защиты от износа. Шейка — это часть, которая образует соединение между головкой и стеблем. Наконечник клапана закален, чтобы выдерживать удары коромысла клапана, когда он открывает клапан.
|
Поверхность клапана обычно шлифуют под углом 30° или 45°. В некоторых двигателях торец впускного клапана шлифуется под углом 30°, а торец выпускного клапана — под углом 45°. Поверхности клапанов часто делают более прочными за счет применения материала, называемого стеллитом. Около 1/16 дюйма этого сплава приваривается к поверхности клапана и шлифуется под правильным углом. Стеллит устойчив к высокотемпературной коррозии, а также выдерживает удары и износ, связанные с работой клапана. Некоторые производители двигателей используют нихромовую накладку на клапаны. Это служит той же цели, что и материал стеллит.
В обработанную канавку на штоке возле наконечника входят шпонки штока с разрезным кольцом.