Механизм газораспределения четырехтактных двигателей

По расположению клапанов различают верхнеклапанные (рис. 42, а) и нижнеклапанные (рис. 42, б) двигатели. У верхнеклапанного двигателя клапаны расположены в головке цилиндра и приводятся в движение от кулачкового вала с помощью толкателей 1, штанг 2 и коромысел 3. У нижнеклапанного двигателя клапаны расположены в теле цилиндра и приводятся в движение от кулачкового вала непосредственно толкателем 1.

Верхнеклапанные двигатели, имеющие относительно мало изогнутый впускной тракт, развивают мощность, которая на 30% больше мощности нижнеклапанных двигателей. Это объясняется главным образом лучшим заполнением цилиндра горючей смесью. У нижнеклапанного двигателя тракт впуска горючей смеси имеет много поворотов, тормозящих движение горючей смеси.
Стоимость изготовления верхнеклапанных двигателей несколько выше, однако они преобладают в мотоциклостроении.




Наиболее простой механизм газораспределения при нижнем расположении клапанов состоит из клапана 1 (рис. 43) грибообразной формы, гнезда 2, направляющей втулки 3, пружины 5, опорной шайбы или подпятника 7 пружины, теплоизолирующей фасонной шайбы 4 пружины, запорных сухариков 6, толкателя 10 с регулировочным винтом 8 и гайкой 9, кулачковых валов 11 с подшипниками, большой распределительной шет стерни 12 и малой распределительной шестерни 13, уста- новленной на коленчатом валу.рис. 43
Клапан к седлу прижимает пружина. При вращении коленчатого вала малая распределительная шестерня вращает большую шестерню распределительного вала с вдвое меньшим числом оборотов. Кулачки поднимают толкатели, которые, преодолевая сопротивление пружины, приподнимают клапан на расстояние 6*-8 мм от гнезда. По мере вращения ку-• лачка, толкатель начинает опускаться, и пружина возвращает клапан в гнездо. Цилиндр и клапан сделаны из различных металлов и при работе двигателя имеют неодинаковую тем 800° С* клапан при удлинении не упирался в головку толкателя, а под воздействием пружины плотно садился в гнездо, между толкателем и торцом стержня клапана имеется регулируемый тепловой зазор. Клапаны, нагреваемые горячими газами, передают тепло от головок через рабочие фаски седлам, а от стержней — направляющим втулкам. Впускной клапан нагревается меньше выпускного, так как охлаждается горючей смесью.



У клапана (рис. 44) различают головку (тарелку) 1 и стержень 2. Головка клапана бывает плоской (рис. 44, о), выпуклой (рис. 44, б) или вогнутой тюльпанообразной формы (рис. 44, в). Рабочая фаска головки расположена под углом 45° или 30° к оси клапана. При угле'30° обеспечивается лучшее наполнение цилиндра, но клапан хуже центрируется в гнезде. Головки клапанов стремятся делать большего размера (он ограничивается только возможностью размещения клапана в цилиндре или в головке цилиндра). Чтобы удобнее было производить притирку клапана к гнезду, на головке клапана имеется прорезь для отвертки. Однако прорезь ослабляет головку клапана и делает ее менее обтекаемой, поэтому на клапанах некоторых двигателей прорези не имеется. Для улучшения обтекания клапана газами и передачи тепла переход головки в стержень делают плавным. Вверху на стержне имеется кольцевая канавка 3 для запорных сухариков. Клапаны изготовляют из специальных сталей.



Гнезда клапанов у алюминиевой головки верхнеклапанного двигателя вставные из жаропрочного чугуна или бронзы, направляющие втулки Клапана — бронзовые или металлокерамические. У нижнеклапанного двигателя гнездо растачивается непосредст- венно в теле цилиндра или применяется вставное гнездо из легированного чугуна; направляющая втулка клапана отливается вместе с цилиндром или запрессовывается в цилиндр (рис. 44, г).
Для клапанов применяют цилиндрические с равномерным шагом (рис. 45, о) и более совершенные с неравномерным шагом (рис. 45, б) пружины. Каждый клапан имеет одну или две, расположенные внутри другой (рис. 45, в) цилиндрические пружины.рис. 46
Для верхнеклапанных двигателей применяют также пружины шпилечного типа (рис. 45, г). Для теплоизоляции пружины между ней и фланцем направляющей втулки или непосредственно между пружиной и головкой или цилиндром ставят фасонную шайбу 3 (рис. 45, в). Другой конец пружины опирается на шайбу 1 (подпятник). В шайбе имеется конусное отверстие для запорных сухариков 2.



Распределительный вал двухцилиндрового (рис. 46, а) и одноцилиндрового (рис. 46, б) двигателей, как правило, изготовляют как одно целое-х кулачками впускных и выпускных клапанов, а иногда и с червяком 4 привода масляного насоса. Применяются также отдельные для каждого клапана шестерни (рис. 46, в). Распределительный вал нижнеклапанного- двигателя приводится во вращение с помощью шестеренчатой или цепной передачи. Число зубьев шестерни на распределительном валу вдвое больше числа зубьев шестерни на коленчатом валу.
Толкатель 10 (см. рис. 43) представляет собой цилиндрический цельный или полый стержень, имеющий внизу шлифованный торец, которым он опирается на кулачок, а наверху гнездо для наконечника штанги или резьбовое отверстие для болта, регули- рующего тепловой зазор между головкой болта и стержнем клапана. В некоторых конструкциях механизма газораспределения кулачок поднимает толкатель посредством промежуточного рычага 1 (рис. 47, а), называемого рокером.



В зависимости от расположения распределительного вала верхнеклапанные двигатели разделяют на двигатели с нижним (в картере) валом и приводом к клапанам с помощью штанг 3 и коромысел 4 (рис. 47, а) и двигатели с верхним валом (в головке цилиндра). При расположении распределительного вала 2 в головке цилиндра применяется один вал с кулачками, открывающими клапаны с помощью коромысел (рис. 47, б), или два вала (для впускного и выпускного клапанов) с кулачками, которые открывают клапаны без коромысел (рис. 47, в).
Размещенные в головке цилиндра распределительные валы приводятся во вращение от коленчатого вала цилиндрическими шестернями или валом, расположенным вдоль цилиндра, и двумя парами конических шестерен, или с помощью цепной передачи. В механизме газораспределения находит применение зуборемен-ная передача.
Увеличение числа оборотов, являющееся одним из способов повышения мощности двигателя, ограничивается механизмом газораспределения верхнеклапанного двигателя. При больших числах оборотов во время открытия клапана инерционные силы коромысла, толкателя, рычага 1 (рис. 47, а) и пружины,'действуя в том же направлении, что и силы инерции клапана, стремятся приподнять его от гнезда на высоту большую, чем предусмотрено. Вследствие этого нарушаются фазы газораспределения, а клапан может удариться о поршень, так как пружина с нормальной упругостью не может нейтрализовать действие инерционных сил деталей механизма газораспределения и не успевает своевременно посадить клапан в гнездо. Применение более сильных пружин может вызвать обрыв стержня клапана. При утолщении клапана в опасных сечениях увеличивается его масса, что, в свою очередь, должно быть компенсировано соответствующим увеличением упругости пружины. В случае установки сильных пружин механизм газораспределения будет работать со стуком и недопустимой перегрузкой.
Чтобы уменьшить силу пружин, стремятся до возможного предела уменьшить массу деталей, движущихся возвратно-поступательно (пружин, толкателей, промежуточных рычагов, коромысел и клапанов). У верхнеклапанного двигателя с нижним расположением распределительного вала масса промежуточных деталей (между кулачком и клапаном) наибольшая. При верхнем расположении газораспределительного механизма т одним валом масса промежуточных деталей уменьшается. Наконец, при двух распределительных валах масса промежуточных деталей достигает возможного минимума. На рис. 47, г показан двигатель, у которого распределительный вал приближен к головке цилиндра. На таких двигателях установлены укороченные легкие толкатели; двигатели обладают в некоторой степени преимуществами двигателей с верхним расположением распределительного вала, а по простоте изготовления приближаются к двигателю с нижним расположением распределительного вала.
Двигатели с верхним расположением распределительного вала применяются преимущественно на дорогостоящих спортивных мотоциклах. Фазы газораспределения.
На диаграмме (рис. 48) показаны фазы газораспределения четырехтактного .двигателя. Впускной клапан открывается до прихода поршня в в. м. т. и закрывается после прохождения поршнем н. м. т. Выпускной клапан открывается до прихода поршня в н. м. т., закрывается после прохождения поршня в. м. т. Вследсгвйё опережения начала открытия впускного клапана к приходу поршня в в. м. т. пространство между клапаном и седлом является вполне достаточным для впуска смеси. Если бы начало открытия клапана совпадало с приходом поршня в в. м. т., то щель под клапаном образовалась бы после того, как поршень совершил часть такта впуска. Закрывается впускной клапан после прохождения поршнем н. м. т. во время его движения вверх. Из-за запаздывания конца впуска в цилиндр по инерции поступает дополнительное количество горючей смеси. Таким образом, .горючая смесь поступает в цилиндр в начале такта впуска под действием .разрежения в цилиндрел а в конце такта впуска — по инерции.рис. 48
Выпускной клапан открывается до прихода поршня в- н. м. т., остается открытым в течение всего такта выпуска и закрывается после прохождения поршнем в. м. т. в начальный период такта впуска. К этому времени впускной клапан также будет открыт.



Период одновременного открытия клапанов называется перекрытием клапанов. Опережение начала открытия выпускного клапана вызвано тем, что к концу рабочего хода газы только нагревают двигатель, не оказывая существенного давления на поршень. Кроме того, при этом противодавление на поршень во время тадта выпуска становится слабее и улучшается очистка цилиндра.
В результате запаздывания закрытия выпускного клапана удлиняется время очистки, и хотя уже начинается такт впуска, отработавшие газы продолжают выходить из цилиндра по инерции. Таким образом, в начале такта выпуска газы выходят из цилиндра под действием повышенного давления в цилиндре, затем выталкиваются поршнем и в начале такта впуска выходят по инерции.
Начало открытия и конец закрытия клапанов относительно положения поршня в цилиндре выражаются в градусах поворота коленчатого вала. Кроме того, положение поршня можно определить по расстоянию (в мм), на котором поршень должен нахо- диться от мертвых точек.
Наивыгоднейшие фазы газораспределения для каждого типа двигателя определяются при его конструировании и испытании с учетом назначения мощности, числа оборотов двигателя, а также расхода топлива, расположения клапанов, формы камеры сгорания, формы и сечения впускных и выпускных патрубков и других осо- бенностей двигателя.
Правильная, работа механизма газораспределения обеспечивается соответствующей формой кулачка, промежуточных рычагов, толкателей и коромысел. Фазы, указываемые заводом, получаются только в случае правильной установки газораспределения и соблюдения рекомендованного для двигателя теплового зазора в приводе клапанов.
В связи с трудностью изготовления эффективно и надежно работающего клапанного механизма газораспределения для высокооборотных двигателей применяют усовершенствованные и новые механизмы газораспределения. Снова, например, выпу- скаются мотоциклы с двигателем, имеющим такой механизм газораспределения, в котором не только открытие, но и закрытие клапанов осуществляется кулачками без- пружин. Создаются роторные поршневые двигатели (например, двигатели Ванкеля) и двигатели с золотниковым газораспределением. При испытаниях некоторых двигателей с такими механизмами газораспределения _ получены хорошие результаты. Однако до сих пор ни одной из предложенных конструкций не удается успешно конкурировать с широко распространенным обычным клапанным механизмом газораспределения.