6. МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ (МГР)

Механизм газораспределения предназначен для хорошей очистки цилиндров от отработавших газов и лучшего наполнения их свежим зарядом, то есть МГР управляет газообменом.

Порядок работы двигателя с числом цилиндров меньше 4-х зависит от принятых конфигурации коленчатого вала и расположения цилиндров, что в свою очередь, обуславливается уравновешенностью, равномерностью чередования вспышек и габаритными соображениями.

У двигателей с числом цилиндров больше 4-х при одном и том же расположении коленчатого вала и цилиндров порядок работы можно осуществить в нескольких вариантах. В этом случае при выборе порядка работы руководствуются следующими соображениями [10] :

а) для облегчения условий работы подшипников выбирают порядок, при котором следующие друг за другом вспышки не происходят в двух соседних цилиндрах;

б)принятый порядок должен содействовать достижению равно-

− восьмицилиндровые, V-образные........................1-5-4-8-6-3-7-2.

Принятый порядок работы может быть осуществлён при помощи золотникового, клапанного или смешанного механизмов газораспределения.

В четырёхтактных двигателях используют клапанный механизм, основным преимуществом которого является высокая уплотняющая способность камер сгорания вследствие неподвижности клапанов в период повышения давления газов в камере сгорания. Кроме того, давление газов используется для прижатия клапанов к посадочным сёдлам. К достоинствам клапанного механизма ещё можно отнести восстанавливаемость герметичности в процессе эксплуатации путём притирки сопрягаемых поверхностей клапана и седла, простота изготовления, длительный срок службы.

112

Вдвухтактных двигателях применяют как золотниковое, так и смешанное газораспределение. Золотниковый механизм используют при петлевой схеме газообмена, смешанный – в двигателях с клапан- но-щелевой схемой.

Золотниковый механизм позволяет [10] :

 получить большее, чем при клапанном механизме, «времясечение», а следовательно, и больший коэффициент наполнения;

 уменьшить возможность возникновения детонации, в связи с отсутствием сильно нагретого выпускного клапан;

 достичь большей бесшумности работы.

Первое преимущество существенно для двигателей с высокими оборотами – 6000…7000 об/мин, третье – применением в клапанном

механизме цепной передачи, текстолитовых шестерён и толкателей с гидравлической компенсацией зазоров почтиИсводится на нет.

Вместе с тем из-за конструктивной, производственной и эксплуатационной сложности золотниковыйДмеханизм уступает клапанному.

При смешанном механизме впуск свежего заряда осуществляется через окна во втулке цилиндраА, а выпуск отработавших газов – через выпускные клапаны в крышке цилиндра.

Всовременных двигателяхбМГР должен обеспечивать не только поступление необходимой массы свежего заряда в цилиндр и их своевременную очистку,ино и изменять фазы газораспределения и высоту подъёма клапанов в зав с мости от режима работы двигателя.

Всвязи сСвнедрен ем электронных систем управления двигателя

иавтомобиля в целом с овременные конструкции МГР претерпевают значительные существенные изменения по сравнению с традиционными.

Конструкция механизма газораспределения зависит от следующего [9] :

1) размещения клапанов – в блоке цилиндров (боковые) или головке блока (подвесные);

2) формы камеры сгорания;

3) расположения клапанов – последовательное одностороннее в направлении продольной оси двигателя или поперечное двухстороннее и числа одноимённых клапанов;

4) размещения распределительного вала – нижний или средний в блоке цилиндров или верхний в головке;

5) типа толкателей – плоские, роликовые, выпуклые, рычажные;

113

6)конструкции коромысел – одноили двуплечие рычаги, траверса на два одноимённых клапана;

7)числа и типа пружин – цилиндрические, конические, торсионные и др.

8)типа механизма передачи, передающего вращения от ведущей шестерни коленчатого вала к распределительному валу – зубчатая передача с цилиндрическими или коническими шестернями с промежуточными валиками, цепная, зубчатым ремнём.

6.1. Компоновка клапанных механизмов

Наибольшее распространение в автотракторных двигателях внутреннего сгорания получил клапанный механизм газораспределе-

1)с клапанами, расположенными в головкеИ, – подвесная система клапанов; Д

2)с клапанами, расположенными в блоке цилиндров, – боковое расположение клапанов; А

3)с клапанами, расположенными в головке и блоке, – смешанная система клапанов. б

Вариант 1 (см. рис. 6.1,а, ; 6.2,а…г) применяется у двигателей с внешним и внутреннимисмесео разованием.

Варианты 2 3 (см. р с. 6.1,г; 6.3) – у двигателей с внешним смесеобразованиемС.

При смешанной с стеме клапанов имеется возможность путём расположения впускного клапана в головке увеличить его проходное сечение.

Варианты 1 и 2 имеют как положительные, так и отрицательные особенности.

Расположение клапанов оказывает влияние на форму камеры сгорания. От формы камеры сгорания в значительной мере зависит предельное значение степени сжатия и протекание процесса сгорания, то есть скорость распространения фронта пламени и жёсткость работы двигателя. Установлено, что фронт пламени распространяется в камере сгорания с неодинаковой скоростью по различным направлениям.

114

Рис. 6.1. Конструкции механизмов газораспределения [9] :

а – верхние клапана, нижний распредвал, овальная камера сгорания; б – верхние клапана в поперечной плоскости, средний распредвал, полусферическая камера сгорания; в – верхние клапана в продольной плоскости, нижний распредвал, полусферическая камера сгорания; г – нижние клапана

Большая скорость распространения фронта пламени наблюдается в направлении движения вихря. Повышенная температура смеси способствует увеличению скорости распространения фронта в этом направлении, например, вблизи выпускного клапана. Вблизи стенок ка-

115

Рис. 6.2. Конструкции механизмов газораспределения [9]

а – среднее расположение распредвала; б – верхний распредвал и цилиндрический толкатель; в – верхний распредвал и рычажный толкатель;г– нижний рычажный роликовый толкатель

меры скорость распространения фронта снижается. Это объясняется тем, что около стенок скорость движения смеси и температура её ниже. Расположение свечи также оказывает значительное влияние на скорость распространения фронта пламени.

Со скоростью распространения фронта пламени связано и количество смеси, сгорающей в единицу времени: чем больше смеси сго-

рит в единицу времени, тем больше нарастание давления на1º поворо-

116

та коленчатого вала, то есть

тем выше жёсткость работы двигателя.

Одним из параметров, характеризующих камеру сгорания, является отношение поверхности камеры к её объёму. С увеличением этого отношения большее количество смеси будет соприкасаться со стенками. Следовательно, потери тепла

высоких температур и давленийАна рабочую смесь, находящуюся в удалённых точках, то есть создаются благоприятные условия для образования перекисей и возникновенияб детонации. Завихрения смеси, обусловленные формой камеры сгорания, и компактность камеры существенно повышаютискорость фронта пламени, уменьшают период сгорания и возможность о разования перекисей, то есть детонации.

ЧрезмерноеСувел чен е скорости распространения фронта пламени может явиться пр ч ной жёсткой работы двигателя и, как следствие, повышения износов. Одновременно завихрения нарушают охлаждённую плёнку смеси, находящуюся у стенок камеры, и увеличивают теплоотдачу от смеси в стенку. Это приводит к ухудшению экономичности работы двигателя.

При всасывании завихрение обусловливаются скоростью в проходном сечении клапана и конфигурацией той части камеры, которая создаёт направление засасываемому поршнем потоку.

Камеру сгорания для клапанов, расположенных в блоке, назовём Г-образной (рис. 6.4,б, в), а камеру с клапанами в головке I-образной

(рис. 6.4,а).

При сжатии у двигателей с Г-образной камерой завихрение определяется сечением и конфигурацией прохода, соединяющей ци-

117

линдр с камерой, а у двигателей с I-образной камерой завихрение зависит от её формы и наличия в днище поршня вытеснителей.

Увеличение интенсивности завихрений при всасывании приводит к уменьшению коэффициента наполнения.

У двигателей с Г-образной формой камеры сгорания, в связи с резким изменением направления потока при всасывании, коэффициент наполнения ниже, чем с I-образной камерой.

табл. 6.1приводятся параметры этих двигателей и их камер сгорания. Величина степени сжатия, особенно у дв игателей с Г-образной

формой камеры, зависит от расположения свечи, её размеров, калильного числа и температуры выпускного клапана.

В старых конструкциях двигателей с Г-образной формой камеры при сравнительно невысоких степенях сжатия свечу располагали по оси симметрии головки. Причём свеча довольно значительно выступала внутрь камеры. Делалось это для того, чтобы ввести свечу в толщу свежей смеси.

С повышением степени сжатия очаг детонации начал в первую очередь возникать вблизи выпускного клапана, так как этому способствовала его высокая температура. Для устранения этого свечу стали смещать по направлению к выпускному клапану, чтобы воспламенение заряда начать в этой неустойчивой зоне.

118

в) г)

Рис. 6.5. Камеры сгорания карбюраторных двигателей [10]

119

У двигателей, представленных на рис. 6.5,а, б, свеча смещена к выпускному клапану.

Свод камеры у двигателей на рис. 6.5в, г над выпускным клапаном имеет уступ. При подъёме клапана его тарелка приближается к уступу над клапаном. Благодаря этому обдув тарелки горячими газами уменьшается, а температура её уменьшается. В связи с понижением температуры тарелки клапана снижается и температура смеси. Всё это делает условия для образования перекисей менее благоприятными.

При наличии уступа постановка свечи над выпускным клапаном приводит к значительному понижению скорости распространения фронта пламени. Поэтому свечу выводят из-под уступа в сторону

Путём уменьшения зазора между сводом камеры и поршнем стремятся повысить интенсивность охлаждения смеси и тем самым

сводом составляет 1,5…2,0 мм,Аа охлаждаемаяДтаким образом поверх-

устранить детонацию в наиболее удалённой от свечи части камеры. Этому способствует и использование для изготовления поршней и головок лёгких сплавов.

У всех Г-образных камер (см. рис. 6.5) зазор между поршнем и

ность камеры сгорания составляет (0,5…0,6) Fп.

Уменьшение объёма смеси под уступом, снижение температуры смеси и соответствующее расположение свечи позволяют реализовать

шающая компактность камеры, увеличивает проходное сечение для свежей смеси, что для двигателей с Г-образной камерой и высокой степенью сжатия существенно.

С целью смягчения поворотов, которые делает поток свежей смеси у двигателей с Г-образной камерой, клапаны устанавливаются наклонно к оси цилиндра. При наклонном положении клапанов Г-образной камере можно придать большую компактность (см. рис.

6.4,в).

I-образные камеры (см. рис. 6.6, б…г; 6.7) характерны своей

120

в) г)

Рис. 6.6. Камеры сгорания карбюраторных двигателей [10]

121

Охлаждению способствуют отражатели D, направляющие воду на стенки камеры.

Камера двигателя на рис. 6.6,г незначительно отличается от камеры на рис. 6.6,в. Благодаря продуманной форме камеры, работа этих двигателей при чугунных поршнях и высокой степени сжатия протекает мягко и без детонации. При камере, показанной на рис. 6.7, следует ожидать работы с повышенной жёсткостью.

Сопоставляя двигатели с клапанами, расположенными в головке

иблоке, можно констатировать следующее [10] :

1.При расположении клапанов в головке камере может быть придана такая форма, при которой достижима более высокая степень

сжатия. Это соображение иллюстрируется величиной отношения Dl ,

которое у I-образных камер составляет 1,03, а у Г-образных 1,36. 2. В связи с большой компактностью I-образных камер отноше-

уменьшается. Это указывает на рациональность применения подвесной системы клапанов в двигателях, работающих на низкооктановых топливах с пониженной степенью сжатия.

3. При I-образной камере нео ходимость в интенсивных завих-

всех прочих равныхСусловиях достижима большая мощность и экономичность работы двигателя.

5. В связи с тем, что при I-образной камере объём смеси располагается компактно, продолжительность сгорания данного количества смеси меньше, а жёсткость работы выше. Однако применением вытеснителей и приданием камере соответствующей формы этот недостаток устраняется.

Наряду с возможностью оформления более рациональной формы камеры, подвесная система клапанов обладает рядом существенных недостатков, по сравнению с боковым расположением клапанов.

При расположении клапанов в головке МГР усложняется. Появляются новые детали: штанги, коромысла, стойки, валики коромысел,

123

колпак. Возникает необходимость в подводе масла для смазки деталей клапанного механизма. Значительно усложняется конструкция головки, но упрощается блок.

Высота головки при боковом расположении клапанов составляет 50…60 мм, а при подвесной системе клапанов – 90…120 мм, высота колпака – 90…100 мм.

Таким образом, у двигателей с подвесной системой клапанов высота двигателя увеличивается на 130…150 мм.

Применение подвесной системы клапанов также увеличивает и вес двигателя по сравнению с двигателями с боковыми клапанами.

При компоновке МГР вначале выбирают число клапанов для од-

ного цилиндра, число распределительных валов, их расположение. При выборе числа клапанов на один цилиндр руководствуются

следующим: с увеличением диаметра и ходаИодного клапана повышается расход газа через него по сравнению с расходом через несколько клапанов меньшего диаметра с тем жеДходом клапана. Но вместе с тем возрастают механические нагрузки на детали привода и тепловые нагрузки на выпускной клапан. Однако осуществить привод большего числа клапанов и расположитьАих в головке цилиндра значительно труднее, чем одного или двух клапанов большего диаметра.

Конструкцию с двумябклапанами широко применяют в двигателях внутреннего сгорания всех типов. Наиболее часто клапаны располагают так, как показаноина рис. 6.8.

Чаще выводы каналов направлены в разные стороны(см. рис.6.8,а, б, д, е). Вывод каналовСв одну сторону (см. рис. 6.8,в, г) ухудшает их форму и усложняет расположен е шп лек крепления головки. Однако при таком размещении каналов обеспечивается возможность подогрева горючей смеси во впускной системе выпускными газами.

При расположении клапанов в одной плоскости упрощается изготовление двигателя и не исключается возможность наклона или смещения клапанов от плоскости осей цилиндров для улучшения формы впускной системы, камер сгорания, расположения форсунок и свечей зажигания. Однако при этом увеличение диаметра клапанов и клапанных пружин ограничено расстояниями между осями цилиндров.

Схемы расположения клапанов, показанные на рис. 6.8,д, е, отличаются тем, что размер клапанов и каналов не ограничен в направлении оси вала. Впускные и выпускные каналы направлены в разные стороны, причём в схеме на рис. 6.8,д они размещены более свободно, чем на рис. 6.8,е.

124

При размещен каналов Апо схемам, показанным на рис. 6.8,д, е,

упрощается креплен е крышек цилиндров, появляется возможность осуществить развалСклапанов (см. рис. 6.1,а, б, в, 6.2,б), упрощается

выбор формы камер сгоран я, газовых каналов, расположения свечей и форсунок, но конструкция двигателя становится менее технологичной.

В случае, показанном на рис. 6.8,а, в, впускные м выпускные клапаны чередуются. На рис. 6.8,б,г представлены схемы попарного расположения клапанов. При этом клапаны соседних цилиндров могут иметь общий (см. рис. 6.8,б) или частично общий (см. рис. 6.8,г) каналы, так как каналы выпускных клапанов делают индивидуальными для их лучшего охлаждения.

Поперечное и косое расположение клапанов (см. рис. 6.8,д, е) применяют в двигателях с принудительным искровым зажиганием с шатровыми или полусферическими камерами сгорания (см. рис. 6.1,б).

В дизелях для уменьшения подогрева воздуха и увеличения коэф-

125

элементов головки с расположенным в ней клапаном будут омываться двойной порцией выпускных газов. По этой причине чаще применяют схему, показанную на рис. 6.9,а.

– впускной клапан

– выпускной клапан

а) б)

Рис. 6.11. Размещение четырёх клапанов на один цилиндр [6, 7, 8, 11, 15]

126