Устройство механизма газораспределения

Общие сведения

Механизм газораспределения служит для впуска свежего заряда (горючей смеси или воздуха) в цилиндры двигателя и выпуска отработавших газов в соответствии с протеканием рабочего цикла. В автомобильных четырехтактных двигателях применяют механизм газораспределения клапанного типа, как правило, с верхним расположением клапанов и установкой одного или двух распределительных валов в блоке или на головке цилиндров. Устройство механизма газораспределения показано на рис. 2.6.



У рядных двигателей с верхним расположением распределительного вала (рис. 2.6, а, б и г) клапаны с пружинами и деталями их крепления установлены в направляющих втулках в головке наклонно в один ряд (см. рис, 2.6, а) или в два ряда (см. рис. 2.6, б и г) и приводятся в действие коромыслами или специальными рычагами непосредственно от кулачков распределительного вала. Вал установлен в подшипниках на головке блока и приводится в действие от коленчатого вала с помощью цепной передачи. При верхнем расположении распределительного вала в состав механизма газораспределения не входят толкатели и штанги, которые имеют значительную массу и перемещаются с ускорениями, что позволяет существенно увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя.


В V-образных двигателях (рис. 2.6, в) применяют верхние клапаны, расположенные наклонно в один ряд. Привод клапанов 18 осуществляется от общего распределительного вала 13 через толкатели 14, штанги 15 и коромысла 17, установленные на осях 16. Распределительный вал 13 размещен внизу в середине блок-картера у основания цилиндров (в развале блока) и приводится в действие от коленчатого вала через зубчатую или цепную передачу.

Между стержнем клапана и толкателем или концом коромысла (или между кулачком и затылком коромысла) в непрогретом двигателе должен быть зазор, который необходим для удлинения стержня клапана при нагревании без нарушения плотности посадки клапана в седле. Зазор в двигателях разных марок для впускных клапанов в холодном состоянии устанавливается 0,15—0,30 мм, а для выпускных клапанов, подвергающихся большему нагреву, — 0,2...0,4 мм. Для регулировки этого зазора в механизме предусмотрены регулировочные устройства — винты с контргайками.

Правильность чередования различных тактов в цилиндрах двигателя достигается соответствующим расположением кулачков на распределительном валу, а также правильностью установки зацепления распределительных шестерен или цепной передачи. 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 в течение каждого оборота распределительного вала. Таким образом, распределительный вал должен вращаться в 2 раза медленнее коленчатого вала. Для этого число зубьев шестерни (или звездочки) распределительного вала должно быть в 2 раза больше, чем число зубьев шестерни (или звездочки) коленчатого вала.

Фазы газораспределения четырехтактного двигателя

Для 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 е определенным опережением или запаздыванием. Моменты открытия или закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения. Фазы газораспределения могут быть изображены в виде круговой диаграммы, называемой диаграммой газораспределения (рис. 2.7).



Впускной клапан начинает открываться 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 пределах 9...33° (угол α). Закрытие впускного клапана происходит с некоторым запаздыванием, когда поршень пройдет 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 разрежения, еще имеющегося в цилиндре, а также вследствие инерции заряда, движущегося во впускном трубопроводе. Запаздывание закрытия впускного клапана составляет 51...64° (угол β). Таким образом, время открытия впускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала. Продолжительность впуска при этом увеличивается, и наполнение цилиндра свежим зарядом улучшается.


Выпускной клапан открывается раньше прихода поршня в НМТ. При этом газы, находясь в цилиндре под большим давлением, начинают быстро выходить наружу, несмотря на то, что поршень еще движется вниз. Затем поршень, пройдя НМТ и двигаясь к ВМТ, выталкивает оставшиеся в цилиндре газы. Опережение открытия выпускного клапана составляет 47...56° (угол γ). Выпускной клапан закрывается тогда, когда поршень пройдет ВМТ. Несмотря на то, что поршень уже начнет немного опускаться вниз, газы будут продолжать выходить из цилиндра по инерции и вследствие отсасывающего действия потока газов, движущихся в выпускном трубопроводе. Запаздывание закрытия выпускного клапана составляет 9...36° (угол δ). Следовательно, время открытия выпускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала, и цилиндр лучше очищается от отработавших газов.

Угол поворота кривошипа, соответствующий положению, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно приоткрыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие незначительности этого угла и ничтожной величины зазора между клапанами и седлами при данном их положении утечки заряда из цилиндра не происходит. Углы опережения и запаздывания, а следовательно, и продолжительность открытия клапанов должны быть тем больше, чем выше частота вращения коленчатого вала, при которой развивается наибольшая мощность двигателя. Это объясняется тем, что в более быстроходных двигателях процессы в цилиндрах происходят с большими скоростями, и для достаточно полного заполнения цилиндра зарядом и хорошей его очистки от отработавших газов необходимо по возможности увеличивать время открытия клапанов.

Детали клапанной группы

К клапанной группе (рис. 2.8) относятся клапан 7, направляющая втулка 2 клапана, клапанная пружина 7 с опорной шайбой 5 и коническими разрезными сухарями 9, толкатель 11. Клапан служит для закрытия и открытия впускных или выпускных каналов в блоке или головке цилиндров. Основные элементы клапана — головка и стержень. Впускной клапан изготавливают из износостойкой хромистой или хромокремнистой стали, выпускной клапан во избежание быстрого выгорания — из особой жаростойкой стали (сильхромовой или хромоникельмарганцовистой), так как головка клапана при работе омывается раскаленными газами.



Седло клапана, на которое он садится фаской головки, расположено в блоке или головке цилиндров. Седла выпускных клапанов или всех клапанов, если головка цилиндров из алюминия, изготавливают в виде вставных колец из жаростойкой стали или специального чугуна, что увеличивает срок их службы. Вставные седла наглухо (с натягом 0,07...0,12 мм) запрессовывают в выточки блока или головки цилиндров.

Направляющая втулка 2, через которую проходит стержень клапана, обеспечивает его точную посадку на седло. Стержень клапана подогнан к направляющей втулке с большой точностью. Зазор у впускных клапанов составляет 0,05...0,09 мм, а у выпускных — 0,08...0,12 мм. Втулки изготавливают из чугуна или спеченных сплавов (путем прессования и спекания металлического порошка при высокой температуре) и запрессовывают в блок или головку цилиндров. Втулки из спеченных сплавов обладают пористостью, перед сборкой их пропитывают маслом, что создает более благоприятные условия для работы стержня клапана. При установке в головку цилиндров направляющей втулки на ее верхнем наружном конце обычно ставят стопорное кольцо или делают буртик, который препятствует самопроизвольному опусканию втулки вниз.

Клапанная пружина 7 удерживает клапан в закрытом положении, обеспечивая его плотную посадку на седло, а также постоянно прижимает толкатель или коромысло к поверхности кулачка распределительного вала при подъеме и опускании клапана, воспринимая силы инерции. Пружину надевают на выступающий из втулки конец стержня клапана и закрепляют на нем в сжатом состоянии с помощью опорной шайбы 5 с коническими разрезными сухарями 9, которые входят в выточку на стержне клапана и зажимаются на клапане конусной частью опорной шайбы.

Для ограничения количества масла, поступающего в направляющую втулку, и устранения подсоса масла в цилиндр через зазоры втулки на верхние впускные клапаны под опорную шайбу ставят защитные металлические или резиновые колпачки. В тех же целях на внутренней поверхности втулки делают специальную нарезку.

Толкатель служит для передачи осевого усилия от кулачка распределительного вала на стержень клапана или штангу. Применяются следующие типы толкателей: плоские, грибовидные, цилиндрические и рычажные. На торцовую рабочую поверхность грибовидных и цилиндрических толкателей из стали обычно наплавляют отбеленный чугун, имеющий высокую износостойкость. Толкатель делают пустотелым для уменьшения массы, а следовательно, и сил инерции, возникающих при его движении. В теле толкателя иногда имеются боковые отверстия для прохода масла к его трущейся поверхности. Эти отверстия используются также для закрепления толкателя в блоке с помощью шпильки в поднятом состоянии при установке или съеме распределительного вала.

Для уменьшения шума при работе механизма газораспределения в современных двигателях легковых автомобилей применяют гидравлические толкатели, работающие без зазора в клапанном механизме. Устройство толкателя двигателя фирмы Volvo (Швеция) показано на рис. 2.9, а. Толкатели — гидравлические, саморегулирующиеся, заполненные маслом. Пружина 4, расположенная в цилиндре 5 толкателя, поддерживает его в контакте с распределительным валом. Усилие этой пружины меньше усилия пружины клапана, что обеспечивает линейное перемещение клапана. Обратный клапан 3 предотвращает выдавливание масла при воздействии кулачка распределительного вала на толкатель и превышении давления масла в цилиндре толкателя над давлением масла в смазочной системе двигателя.



Когда толкатель находится в соприкосновении с базовой окружностью кулачка распределительного вала (рис. 2.9, б), масло из канала корпуса подшипника распределительного вала поступает в толкатель через канавку и отверстие в боковой поверхности. Масло проходит через паз, расположенный в верхней части толкателя, и поступает в цилиндр толкателя. Когда на толкатель не воздействует контур кулачка, давление масла в двигателе выше давления масла в цилиндре толкателя, и масло проходит через обратный клапан цилиндра толкателя.

Когда толкатель отжат вниз (рис. 2.9, в), давление масла в его цилиндре становится выше давления масла в двигателе, обратный клапан закрывается и толкатель работает как твердое тело. При возвращении толкателя, в положение, когда он соприкасается с базовой окружностью кулачка распределительного вала (рис. 2.9, г), давление масла в двигателе выше давления масла в цилиндре толкателя. Обратный клапан открывается, пропуская масло, что обеспечивает прижатие толкателя к распределительному валу.

Штанга 15 (см. рис. 2.6, в) служит для передачи усилия от толкателя к коромыслу при верхнем расположении клапанов. Штанга имеет трубчатое сечение и изготавливается из стали. На концах штанги закрепляют стальные наконечники со сферическими поверхностями, закаленными до высокой твердости. Нижним концом штанга упирается в гнездо толкателя, а верхним — в регулировочный винт коромысла.

Коромысло 17 служит для изменения направления передаваемого движения. Коромысла изготавливают из стали или ковкого чугуна и устанавливают на бронзовых втулках или без них на осях 16, которые при помощи стоек закреплены на головке цилиндров. Носок одного плеча коромысла располагается над стержнем клапана, а другое плечо соединяется со штангой. Носок коромысла закален до высокой твердости. Для регулировки зазора между стержнем клапана и носком коромысла в него ввернут регулировочный винт, в который упирается штанга. Винт фиксируется контргайкой.

Распределительный вал

Вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов, он имеет впускные и выпускные кулачки, опорные шейки, шестерню для приведения в действие масляного насоса и распределителя зажигания, а также эксцентрик, приводящий в движение топливный насос в карбюраторных двигателях. Вал штампуют из стали или отливают из чугуна и подвергают обработке, шейки и кулачки шлифуют. Все рабочие поверхности вала подвергают закалке до высокой твердости. Вдоль вала и в шейках иногда делают каналы для прохода масла.

Для каждого цилиндра имеются два кулачка: впускной и выпускной. Форма (профиль) кулачка обеспечивает плавный подъем и опускание клапана и соответствующую продолжительность его открытия. Профиль впускных и выпускных кулачков на валу может быть как различным, так и одинаковым (в зависимости от принятых для данного двигателя фаз газораспределения). На некоторых современных двигателях устанавливают два распределительных вала, один из которых действует на впускные клапаны, а другой — на выпускные.

В рядном четырехцилиндровом двигателе вершины одноименных кулачков располагают под углом 90°, в шестицилиндровом — под углом 60°. Угол установки разноименных кулачков зависит от фаз газораспределения. Вершины кулачков располагают в соответствии с принятым для двигателя порядком работы с учетом направления вращения вала. По длине вала впускные и выпускные кулачки чередуются в зависимости от расположения клапанов. В V образных двигателях расположение вершин кулачков на общем для обеих секций блока распределительном валу зависит от чередования тактов в цилиндрах, угла развала и принятых фаз газораспределения.

Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала с помощью зубчатой или цепной передачи. При зубчатой передаче на конце коленчатого и распределительного валов закрепляют распределительные шестерни. Для повышения бесшумности и плавности работы шестерни изготавливают с косыми зубьями; шестерня распределительного вала может быть изготовлена из пластмассы со стальной ступицей, а шестерня коленчатого вала — из стали.

При верхнем расположении распределительного вала его шейки располагаются в перегородках гнезд, отлитых на головке блока, или в специальных опорах, закрепленных на ней. Верхний распределительный вал приводится в движение цепной передачей, состоящей из звездочек, закрепленных на валах, и длинной стальной роликовой цепи. Для поддержания нормального натяжения цепи имеется специальное натяжное устройство в виде передвижной звездочки или колодки с регулировочным механизмом. Чрезмерные колебания и вибрации ведущего участка цепи устраняются специальной колодкой (успокоителем). Шестерни или цепная передача привода распределительного вала закрыты крышками. Для обеспечения требуемых порядка работы клапанов и фаз газораспределения распределительные шестерни и цепной привод при сборке устанавливают по специальным меткам.