5.Газораспределение и продувка

Для управления впуском свежего заряда воздуха и выпуском отработавших газов в четырехтактных двигателях служат впускной и выпускной клапаны. Момент вспышки топлива в дизелях определяется работой топливной аппаратуры (форсунки и топ­ливного насоса высокого давления).

В ДВС применяют клапаны тарельчатого типа, открывающиеся внутрь цилиндра в то время, когда давление в нем незначительно.

Впускной клапан четырехтактного двигателя (рис. 47, а) имеет тарелку 4 и шток 5; опорная поверхность клапана 3 сделана конической.

Рис. 47. Впускной и выпускной клапаны .

Над корпусом 6 клапана помещены пружины 2, которые нижним концом упираются в корпус, а верхним - в тарелку 1, связанную со штоком клапана.

Выпускной клапан в двигателе малой мощности обычно имеет такую же конструкцию, что и впускной. Однако на него действуют высокие температуры газов (впускной клапан охлаждается воздухом в период впуска), поэтому в судовых двигателях средней и большой мощности выпускные клапаны во избежание быстрого разрушения сделаны охлаждаемыми.

Устройство выпускного клапана показано на рис. 47, б. Клапанная коробка в средней части имеет двойные стенки, между которыми циркулирует охлаждающая вода.

При неисправности топливной аппаратуры двигателя или при чрезмерной подаче топлива в цилиндр при пуске возможны преждевременные вспышки, опасные для прочности деталей.

Своевременное открытие впускных и выпускных клапанов обеспечивается специальным механизмом. Он состоит из системы рычагов, один конец которых соприкасается со штоком клапана, а другой своими роликами соприкасается с кулачковыми шайбами, 'расположенными на распределительном валу двигателя. Часто между рычагами и шайбами имеются, кроме того, толкатели с роликами.

Распределительный вал получает вращение от коленчатого вала двигателя.

В четырехтактных двигателях частота вращения распределительного вала в 2 раза меньше, чем коленчатого, так как рабочий процесс в цилиндре совершается за 2 оборота вала. В двухтактных двигателях частоты вращения распределительного и коленчатого вала совпадают.

Вращение распределительного вала осуществляется чаще всего через зубчатую передачу или винтовые колеса и передаточ­ный вал или посредством шарнирной цепи.

Механизм для привода клапана ДВС показан на рис. 48. На распределительном валу 7 находится кулачковая шайба 6. При набегании выступа шайбы на ролик 5 серьги 8 движется вверх штанга 4. Верхний конец штанги при этом давит на упор / левого конца клапанного рычага 2, правый конец давит на тарелку 3 штока клапана и открывает его. Когда выступ кулач­ковой шайбы перестает набегать на ролик 5, клапан закрывается под действием пружины. Между роликом 5 серьги и цилинд­рической поверхностью кулачковой шайбы необходим зазор, равный у ненагретого двигателя 0,2—1,0 мм и обеспечивающий плотное закрытие клапана.

В некоторых типах двухтактных двигателей отработавшие газы выпускаются через клапаны значительных размеров. В их приводном механизме возникают значительные усилия, поэтому в последнее время привод таких клапанов делают гидравлическим.

Выше было указано, что теоретически впускные и выпускные клапаны должны открываться и закрываться в мертвых точках. Фактически в дизелях впускной клапан открывается с опережениием 18—30° до в. м. т. для лучшего подсасывания свежего заряда засчет инерции столба отработавших газов в выпускной трубе. Закрывается впускной клапан во всех двигателях с запозданием на 18-45° после н. м. т. для увеличения продолжительности заполнения цилиндра свежим зарядом.

Рис, 48. Механизм привода клапана

Выпускной клапан открывается всегда с опережением (35—45° до н. м. т.); этим удлиняется период выпуска отработавших газов и уменьшается противодавление на поршень при выпуске. Закрывается выпускной клапан с опозданием (18—25° за в. м. т.), чтобы улучшилось заполнение цилиндра свежим зарядом под действием столба отработавших газов в выпускном трубопроводе.

Чтобы обеспечить перемешивание распыленного жидкого топлива с воздухом, топливо подается в цилиндр до прихода поршня в в. м. т. Угол опережения начала подачи топлива в дизелях 10—30° до в. м. т.

Углы опережения открытия клапанов и начала подачи топлива зависят от частоты вращения двигателя. В быстроходных двигателях угол опережения всегда больше.

Пусковые клапаны открываются с опережением (10—26° до в- м. т.) и закрываются после поворота мотыля на 60—80° после в. м. т. Для пуска реверсивного судового двигателя из любого положения коленчатого вала необходимо, чтобы в одном из цилиндров был открыт пусковой клапан. Это может быть достигнуто в двухтактном двигателе простого действия при числе цилиндров не менее 4, а в четырехтактном - не менее 6.

Фазы газораспределения наглядно могут быть представлены на круговой диаграмме. В четырехтактном двигателе весь процесс работы совершается в течение двух оборотов вала, поэтому для наглядности круговую диаграмму обычно выполняют спиральной формы. На круговой диаграмме непосредственно показаны положения мотыля в моменты открытия и закрытия всех клапанов и наглядно видна продолжительность открытия каж­дого клапана.

Н.М.ГП.

Рис. 49. Круговая дна- Рис. 50. Контурные поперечная и

грамма газораспределения петлевая продувки

четырехтактного двигателя

На рис. 49 изображена круговая диаграмма газораспределения четырехтактного дизеля при работе на передний ход (вращение по часовой стрелке). Все фазы газораспределения одинаковы по величине при работе как на передний, так и на задний ход. Как показывает круговая диаграмма, в течение некоторого времени открыты одновременно впускной и выпускной клапаны, что позволяет использовать подсасывающее действие движущегося столба отработавших газов в выпускной трубе, а также улучшить очистку цилиндра от продуктов сгорания и заполнение его воздухом.

От правильного выбора фаз газораспределения зависит надежная и экономичная работа двигателя, поэтому при его эксплуатации необходимо периодически проверять своевременность открытия и закрытия клапанов и моментов подачи топлива.

Характер газообмена в двухтактных двигателях целиком зависит от системы продувки, которая влияет на процесс работы двигателя, его мощность и экономичность. Хорошая продувка обеспечивает надлежащую очистку цилиндра от продуктов сгорания при малом расходе продувочного воздуха, что уменьшает затрату энергии на привод продувочного насоса.

На основе многочисленных исследований и опыта эксплуатации установлены следующие основные требования, которым должна удовлетворять система продувки двухтактного двигателя:

- выпускные и продувочные окна должны иметь достаточные сечения, чтобы газы и воздух проходили с наименьшим сопротивленцем, следовательно, при небольшом понижении давления продувочного воздуха;

- для лучшего заполнения цилиндра воздухом необходимо, чтобы процесс продувки цилиндра заканчивался после закрытия выпускных окон;

- количество продувочного воздуха по объему должно превышать объем цилиндра на 30—50%, так как при продувке всегда неизбежна потеря продувочного воздуха вместе с продуктами сгорания через выпускные окна;

- давление продувочного воздуха во время продувки должно оставаться постоянным и во всяком случае не уменьшаться. Для этого ресивер продувочного воздуха, соединяющий продувочный насос или ГТН с цилиндром двухтактного двигателя, должен иметь достаточно большой объем.

Различают контурную и прямоточную продувки. На рис. 50, а показан простейший тип контурной продувки, применяемый в двухтактных двигателях. Такая продувка носит название поперечной.

Для лучшей очистки цилиндра от продуктов сгорания продувочные окна сделаны наклонными, благодаря чему воздух устремляется в верхнюю часть цилиндра.

Поперечная продувка имеет недостатки: выпускные окна закрываются позднее продувочных и, следовательно, происходит потеря части заряда свежего воздуха; значительная часть свежего воздуха смешивается в период продувки с продуктами сгорания и теряется. Однако простота устройства - важное преимущество этого типа продувки.

Вторым типом контурной продувки является петлевая продувка (рис. 50, б). Окна верхнего ряда - выпускные, соединены с выпускным коллектором, а окна нижнего ряда - продувочные, соединены с ресивером 2, связанным с продувочным насосом или турбонагнетателем. При движении поршня вниз сначала открываются выпускные окна, а потом продувочные.

Поршень имеет вогнутое днище, и продувочный воздух, двигаясь по днищу поршня и стенкам втулки цилиндра в верхнюю ее часть, описывает петлю и вытесняет продукты сгорания через выпускные окна.

Недостаток этого типа продувки, как и предыдущей - потеря части заряда воздуха из-за того, что выпускные окна закрываются позднее продувочных; преимущество - простота устройства. Такая продувка применена в двухтактных двигателях типа МАН, установленных на отечественных теплоходах.

Чтобы улучшить заполнение цилиндра свежим зарядом, были предложены различные системы контурной продувки, в которых процесс продувки продолжался уже после закрытия поршнем выпускных окон. В этом случае достигалась «дозарядка» цилиндра воздухом и в конечном счете повышалась мощность.

Фирма «Зульцер» много лет применяла второй ряд продувочных окон, управляемых специальным клапаном, а фирма «Фиат» применяет продувочные окна, имеющие большую высоту, чем выпускные. При этом подвод воздуха к продувочным окнам управляется также специальными клапанами.

Рис. 51. Прямоточные продувания

Устройство цилиндра двигателя с прямоточной клапанной продувкой показано на рис. 51, а. Выпуск осуществляется через выпускной клапан 1, находящийся в крышке цилиндра, а продувка - через окна 2, открываемые поршнем после открытия выпускного клапана. Продувочные окна расположены так, что воздух поступает в цилиндр тангенциально и создает в цилиндре, помимо прямого, круговое движение, обеспечивающее хорошее перемешивание воздуха и топлива. При прямоточной продувке воздух идет через цилиндр сплошным потоком, в результате чего достигается хорошая очистка цилиндра от продуктов сгорания при малом расходе продувочного воздуха. Выпускной клапан закрывается раньше, чем поршень закрывает продувочные окна, что обеспечивает возможность дозарядки цилиндра воздухом.

При прямоточной клапанной продувке приходится применять 2 или 3 форсунки, в результате чего ухудшаются условия смесеобразования.

Вариант прямоточной продувки применен в двухтактных двигателях с расходящимися поршнями. Обычно такие двигатели имеют 2 коленчатых вала (рис. 51, б). Когда поршни движутся навстречу друг другу в цилиндре происходит сжатие. Форсунка расположена в середине цилиндра. При расширении газов поршни расходятся. Верхний и нижний коленчатые валы связаны между собой вертикальным передаточным валом и двумя парами конических зубчатых колес. Нижние поршни 1 работают на нижний коленчатый вал, от которого мощность передается потребителю, а верхние поршни 2 - на верхний коленчатый вал. Нижние поршни управляют выпускными окнами, а верхние - продувочными.

В подобных двигателях мотыли, которые соединены с поршнями, управляющими выпускными окнами, опережают те мотыли, которые соединены с поршнями, управляющими продувочными окнами, на угол до 14°. Такое опережение обеспечивает не только более раннее открытие выпускных окон по сравнению с продувочными, но и дозарядку. При этом вал с опережающими мотылями передает мощность большую, чем вал с отстающими мотылями. Так, при угле опережения 10° один вал передает 60% всей мощности, другой - 40%.

По схеме на рис. 107, б двигатели выполнены лишь нереверсивными, так как при наличии угла между мотылями верхнего и нижнего валов при заднем ходе газообмен в цилиндре будет совершенно неудовлетворительным.

В качестве продувочных используют поршневые и ротационные насосы. При газотурбинном наддуве воздух в двигатель подается центробежным нагнетателем, находящимся на одном валу с газовой турбиной. При комбинированном наддуве параллельно или последовательно с центробежным нагнетателем работает поршневой или ротационный насос. При использовании подпоршневой полости она работает как обычный поршневой насос.

Поршневые и ротационные насосы являются навешенными на двигатель, что несколько снижает его механический к. п. д.