Глава 5

ТЕЧЕНИЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА ЧЕРЕЗ ОРГАНЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§1. Площадь проходных сечений клапанов

В четырёхтактных поршневых двигателях смена рабочего тела в надпоршневой полости осуществляется через впускные и выпускные клапаны. Количество клапанов в одном цилиндре может быть 2, 3, 4 и 5. Чем больше клапанов в одном цилиндре, тем больше суммарная площадь проходных сечений, но сложнее конструкция головки цилиндров, механизма привода клапанов.

Для привода клапанов обычно используются кулачковые механизмы различных схем (рис. 1.7, рис. 1.8, рис. 5.1). Профиль кулачка 2 подбирается таким образом, чтобы напряжения в зоне контакта поверхности кулачка 2 и коромысла 3 (рис. 5.1) не пре­вышали допустимых значений. В используемых схемах механиз­ма привода клапанов быстроходных двигателей (n > 3000 об/мин) распределительный кулачковый вал располагают в головке ци­линдров и кулачок воздействует на коромысло (рис. 1.7, рис. 5.1) или через стакан (толкатель), скользящий в гнездах головки ци­линдров и разгружающий стержни клапанов от боковых усилий, непосредственно на клапан. В двигателях с частотой вращения коленчатого вала менее 3000 об/мин кулачковый вал располагают обычно в блоке цилиндров и перемещение толкателя, на который воздействует кулачок, передается на коромысло с помощью штанги (рис. 1.8). Так как механизм привода клапанов работает в различных температурных условиях, зависящих от внешней на­грузки, для компенсации температурного расширения деталей привода клапанов и клапана между торцом клапана 7 и наконеч­ником 6 регулировочного винта 5 (рис. 5.1) предусматривается зазор. Начальная величина зазора, устанавливаемая на холодном двигателе, зависит от схемы привода, линейных размеров деталей механизма привода и составляет 0,1—0,5 мм.

147

12 13 14

Рисунок 5.1 - Механизм привода клапанов двигателя с искровым зажиганием:

1 - головка цилиндров; 2 - кулачок распределительного вала; 3 - ось коромы­сел; 4 - коромысло; 5 - регулировочный винт; 6 - наконечник регулировочно­го винта; 7 - клапан; 8 - сухарики тарелки клапана; 9 - тарелка пружины кла­пана; 10 - маслоотражательный колпачок клапана; 11 - внутренняя пружина; 12 - наружная пружина; 13 - опорная шайба; 14 - седло клапана

Изменение площади проходного сечения кла- пана может быть опреде- лено, если известны закон подъема клапана по углу поворота кривошипа (рис. 5.2), зависящий от про- филя кулачка, зазора в механизме привода кла- пана (для компенсации температурного расшире- ния деталей при работе двигателя), геометриче- ских размеров клапана

Рисунок 5.2 - Изменение высоты подъема клапана по углу поворота коленчатого вала:

А_кл. - зазор между клапаном и толкате­лем (регулировочным винтом)

148

Рисунок 5.3 - Схемы к расчету площади проходных сечений клапанов

На первом участке подъёма (h < b/sin 0) перпендикуляр из точки А к образующей поверхности седла клапана является об­разующей (АВ) боковой поверхности усеченного конуса, боковая площадь поверхности которого принимается за площадь про­ходного сечения клапана

(

Я i

f = AB — [d + (d + 2a)] = я h cos 0 d 4

2. I

h sin 20 2

(5.1)

На втором участке подъёма (h > b/sin 0) площадь проход­ного сечения клапана равна площади боковой поверхности усе­ченного конуса с образующей АС,

_r D + d D + d

f ₂ = АС я = я

2

^fD - d

v

Л2

2

+

h

D - d 2

л2

tg0

(5.2)

На третьем участке подъёма клапана площадь проходного сечения клапана равна площади поперечного сечения канала пе­ред седлом клапана,

(5.3)

149

Таблица 5.1 - Соотношение площадей проходных сечений клапанов в четырёхтактных дизелях

Здесь: i - количество клапанов на цилиндр;

*) четырёхклапанные головки цилиндров

Примерное соотношение площадей проходных сечений впускных и выпускных клапанов может быть оценено, если исхо­дить из условий равенства объёмных расходов рабочего тела че-

150

рез клапаны и равенства гидравлических потерь на клапанах (ра­венства отношений ^вп.ср /Ps и Рт /рвып.ср) [3]:

⁽й s^fs \

вп

= ⁽м- „Л)

ср

2- ^Кт

^К т - ¹

вып.ср

к т —1

Рт

(5.4)

Ат

вып

где ц_в - коэффициенты расхода впускных и выпускных кла­панов (ц₅ « ц_в); /_в, f_s - площади проходных сечений впускных и выпускных клапанов; Т_выпср - средняя температура продуктов сгорания на такте выпуска (800-1100 К); Ат_вп, Ат_вып - продолжи­тельность тактов впуска и выпуска (Ат_вп « Ат_вып « 180/(6n)). Ес­ли принять T_s = 300 К, Я_т « R_s и значения показателей адиабаты для воздуха и продуктов сгорания к = 1,4 и к_т = 1,32, то из ра­венства (5.4) следует, что при максимальном подъеме клапанов

А₌

^fs У

к

(к т — 1) T_s

^к т ^(ks ^{— 1) Т}

0,5—0,6.

(5.5)

вып.ср

В современных двигателях отношение f/f принимается не­сколько большим (f/f = 0,7-0,8). Увеличение отношения fjf_s свыше 0,8 нерационально из-за увеличения гидравлических по­терь на впускном клапане, снижения коэффициента наполнения.

Для характеристики площади проходного сечения клапана, динамики ее изменения используют также такой показатель, как «время-сечение» клапана

Ф=Фк 1 Ф=Фк

j ^fdT = — j Мфг

Ф=Фн Ф=Фн

(5.6)

где Ф_н, Ф_к - углы поворота коленчатого вала, соответствующие началу подъёма и посадки клапана на седло.

Время-сечение клапана позволяет ориентировочно оценить выбор диаметра клапанов и параметров механизма их привода.

К

т

1

151