Устройство механизма газораспределения

Конструкции различных механизмов газораспределения с верхним распределительным валом показаны на рис. 2.

Рис. 2 - Механизмы газораспределения с верхним расположением кулачкового вала:

а) с непосредственным воздействием кулачков на клапаны (дизель В-2); б) устройство для регулирования зазора в клапанном механизме (дизель В-2); в) передачей усилий от кулачков на клапаны через коромысла (двигатель Форд-427); г) с передачей усилий через промежуточный рычаг (двигатель Понтиак-216) На рис. 2, а представлено газораспределение V-образного дизеля В-2 с непосредственным воздействием кулачков распределительных валов на клапаны. Этот способ привода весьма эффективен, но имеет следующие недостатки: создает большое боковое усилие, передающееся на стержень клапана в процессе его подъема, отличается сложностью регулировки зазоров между клапанами и распределительным валом. Возникающие при этом боковые усилия приводят к изгибу стержня клапана и увеличению его износа.

На практике износ стержней уменьшают  двумя способами: используют утолщенные стержни клапанов или освобождают их от восприятия боковых усилий. Так, в дизеле В-2 стержни клапанов имеют толщину 18 мм, что примерно вдвое превышает обычные размеры стержней клапанов, применяемых в автомобильных двигателях. Поэтому в двигателях автомобильного типа чаще прибегают к разгрузке стержней путем передачи силы, возникающей от действия кулачков (иногда и от коромысел), на специальные стаканы, накрывающие стержни и пружины клапанов и перемещающиеся в своих направляющих гнездах.

Регулировка клапанов в дизеле В-2 производится с помощью устройства, показанного на рис. 2, б, состоящего из опорной тарелки 2 с резьбовой  частью, ввернутой в стержень 1 клапана  и замочной шлицевой шайбы 3, которая  одевается на шлицованный конец стержня клапана и прижимается к тарелке 2 клапанной пружиной. На соприкасающихся горцах замочной шайбы и тарелки клапана имеются пояски радиальных треугольных шлиц, фиксирующих тарелку в заданном положении относительно стержня. На рис. 2, в, г показаны механизмы, в которых усилия от кулачков распределительного вала передаются стержням клапанов через коромысла и промежуточные рычаги. Коромысла используются довольно часто, но они тоже полностью не разгружают стержни клапанов от воздействия боковых сил. Однако величина их всегда бывает меньше, чем в рассмотренном механизме дизеля В-2. С этой точки зрения более практична конструкция механизма, применяемая на двигателе Понтиак-216 (см. рис. 2, г), где боковые усилия на стержень клапана вообще не передаются, а воспринимаются штоком специального гидравлического устройства, на которое опирается промежуточный рычаг. Наличие гидравлической опоры у рычага обеспечивает постоянный контакт его с кулачком распределительного вала и исключает тем самым необходимость регулировки зазоров в процессе эксплуатации.

При смешанном расположении клапанов(см. рис. 1, в) в головке цилиндра устанавливают впускные клапаны, а в блоке — выпускные. Благодаря этому удается несколько упростить общую конструкцию механизма и одновременно использовать преимущества верхнеклапанного газораспределения.

Однако перспективным клапанным  газораспределением является не смешанное, а верхнеклапанное с кулачковым валом, расположенным на головке цилиндра (см. рис. 2). Такое газораспределение обеспечивает падежную работу клапанного механизма и в современных быстроходных двигателях.

Фазы  газораспрделения

Продолжительность открытия впускных или выпускных отверстий цилиндра, выраженную в градусах угла поворота коленчатого вала, принято называть фазами газораспределения.

В зависимости от назначения отверстий, соединяющих цилиндровую полость двигателя с впускным или выпускным трубопроводами, различают фазы впуска (продувки) и выпуска. Величину фаз выбирают сообразно с тактностью двигателя, особенностями его конструкции и быстроходностью. Правильный выбор фаз газораспределения для каждой конкретной модели двигателей в значительной степени определяет их параметры. На окончательном выборе фаз газораспределения останавливаются после экспериментального уточнения путем испытаний данной модели двигателя на стенде.

Для большей наглядности фазы газораспределения  обычно изображают в виде круговых диаграмм. На рис. 1 показаны такие диаграммы  для четырехтактного автомобильного двигателя МЗМА-408 и двухтактного мотоциклетного двигателя К-175, имеющего кривошипно-камерную продувку.

В четырехтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, причем ход впуска или выпуска совершается поршнем за 180° угла поворота коленчатого вала. Однако опыт создания четырехтактных двигателей и экспериментальные исследования их показали, что продолжительность процессов впуска и выпуска должна быть больше соответствующих ходов поршня. Иначе нельзя ожидать хороших мощностных и экономических показателей. Поэтому в быстроходных автомобильных двигателях процесс впуска начинается за 10—20° до прихода поршня в в.м.т., а заканчивается примерно через 40—70° и даже 100° угла поворота вала после того, как поршень пройдет н.м.т. Следовательно, общая продолжительность фазы впуска составляет 240÷300° угла поворота коленчатого вала (см. рис. 1, а).

Рис. 1 - Диаграммы фаз распределения:

а)  четырехтактного двигателя МЗМА-408;  б)  двухтактного двигателя   К 175

Угол поворота коленчатого вала от н.м.т. до момента закрытия впускного  клапана называется углом запаздывания закрытия. Увеличение угла запаздывания закрытия клапана заметно улучшает наполнение цилиндров. Объясняется  это явление возникающим инерционным напором потока во впускном трубопроводе, который усиливается к концу процесса впуска. Благодаря этому свежий заряд может поступать в цилиндр и в то время, когда поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Обычно за время запаздывания закрытия впускного клапана при полной нагрузке и номинальных оборотах вала в цилиндр поступает 10—15% свежей горючей смеси или воздуха, потребляемых двигателем.

Такую же примерно продолжительность  в автомобильных двигателях имеет и фаза выпуска (см. рис. 1, а). Выпускной клапан открывается до прихода поршня в н.м.т. при такте расширения за 40—60° угла поворота коленчатого вала, а закрывается с запаздыванием на 15—20° после завершения хода выпуска (после в.м.т.).

Открытие выпускного клапана с  большим углом опережения необходимо для того, чтобы лучше очистить цилиндр. К этому моменту газы в цилиндре имеют давление около 4—5 кГ/см² (≈0,4—0,5 Мн/м²) и выбрасываются в атмосферу с большой скоростью равной скорости при критическом перепаде давлений Считают что за первую фазу выпуска из цилиндра выбрасывается примерно 60—70% всех отработавших газов и только 20—30% их удаляется при последующем ходе поршня от н.м.т. до в.м.т., когда осуществляется вторая фаза выпуска. Если бы выпускной клапан открывался в момент нахождения поршня в н.м.т., то все отработавшие газы пришлось бы удалять из цилиндра при движении поршня к в.м.т. и затрачивать на это большую работу.

Увеличение работы на впуск свежего  заряда в цилиндры или выпуск в  атмосферу отработавших газов ведет  к ухудшению экономических и мощностных показателей двигателя.

Расширение фаз впуска и выпуска  путем введения некоторого опережения открытия впускного и запаздывания закрытия выпускного клапанов позволяет лучше использовать проходные сечения клапанных отверстий, так как к началу хода впуска и после завершения поршнем хода выпуска клапаны находятся в приоткрытом состоянии. Положение, когда поршень находится вблизи в.м.т. и оба клапана одновременно приоткрыты, называется перекрытием клапанов.

В двигателе, диаграмма фаз газораспределения  которого показана на рис. 1, а, перекрытие клапанов составляет 40° угла поворота коленчатого вала.

Рабочий процесс в двухтактных двигателях осуществляется за один оборот коленчатого вала, поэтому в сравнении с четырехтактными двигателями продолжительность фаз газораспределения у них примерно в два раза меньше. Круговая диаграмма фаз двухтактного двигателя (см. рис. 1, б), имеющего кривошипно-камерную продувку, существенно отличается от диаграмм четырехтактных двигателей еще и тем, что характеризует газообмен одновременно в надпоршневой и кривошипной полостях двигателя.

Для двигателей типа К-175, показанная на рис. 1, б круговая диаграмма является типичной. Впуск горючей смеси  в кривошипную камеру продолжается всего 121° угла поворота вала, пока открыто окно 10°. К моменту открытия окна 6 давление в цилиндре снижается почти до атмосферного и как только окно 6 приоткроется, начинается продувка цилиндра, т. е. процесс одновременного наполнения цилиндра и принудительного вытеснения из него отработавших газов.

В рассматриваемом примере выпуск продолжается 147°, а продувка всего 122° угла поворота коленчатого вала. Поэтому очистка и наполнение цилиндров в двигателях с двухтактным рабочим процессом всегда бывает хуже, чем в четырехтактных.