9.3. Механизм газораспределения

Для газообмена в существующих автомобильных и тракторных двигателях применяются клапанные механизмы, выполненные в основном по двум конструктивным схемам: с верхним и нижним расположением клапанов.

При конструировании клапанного механизма необходимо стремиться к максимально возможному удовлетворению двух противоположных требований: 1) получению максимальных проходных сечений, обеспечивающих хорошее наполнение и очистку цилиндра, и 2) к сокращению до минимума массы подвижных деталей газораспределения для уменьшения инерционных нагрузок. В настоящее время широко применяются как двухклапанные, так и многоклапанные конструкции, последние обеспечивают получение повышенных значений коэффициента наполнения, а, следовательно, и большую литровую мощность двигателя. Наиболее широко применяемые схемы расположения клапанов в головке блока цилиндров представлены на рис. 26.

Рис.26. Возможные схемы расположения клапанов: а — в двухклапанной головке; б — в трехклапанной головке; в — в четырехклапанной головке

Проектирование механизма газораспределения начинают с определения проходных сечений в седле клапана F_кл и в горловине F_гор (рис. 27).

Рис. 27. Схема проходного сечения клапана

Площадь проходного сечения в клапане определяют при условии неразрывности потока несжимаемого газа по условной средней скорости в сечении седла при максимальном подъеме клапана на режиме номинального числа оборотов:

F_кл = V_п.срF_п/(i_клω_вп) (9.1)

где V_п.ср — средняя скорость поршня, м/с; F_п — площадь поршня, см²; i_кл — число одноименных клапанов; ω_вп, м/с — скорость газа в проходном сечении клапана (для впускного клапана должна быть равна или меньше скорости, принятой в тепловом расчете при определении потерь давления на впуске (Δр_а). Проходное сечение в горловине должно ограничивать пропускную способность впускного (или выпускного) тракта.

Учитывая, что через горловину проходит стебель клапана, ее площадь обычно принимают F_гор =(l,l…l,2)F_кл. Диаметр горловины (мм)

(9.2)

Максимальный диаметр горловины ограничивается возможностью размещения клапанов в головке блока при заданных диаметре D цилиндра.

Значение d_гор впускного клапана, полученное по формуле (9.2), не должно быть больше:

d_гор =(0,38…0,42)D — при нижнем расположении клапанов;

d_гор =(0,35…0,52)D — при верхнем расположении клапанов, в том числе:

d_гор =(0,35…0,40)D — для вихрекамерных и предкамерных дизелей;

d_гор =(0,38…0,42)D — для дизелей с непосредственным впрыском;

d_гор =(0,42…0,46)D — для двигателей с клиновидной и плоскоовальной камерами сгорания;

d_гор =(0,46…0,52)D — для двигателей с полусферическими камерами сгорания.

Диаметры горловин выпускных клапанов обычно принимают на 10…20% меньше d_гор впускных клапанов.

Проходное сечение клапана с коническим уплотнением (см. рис.2) при высоте подъема клапана h_кл в рассматриваемый момент времени равно

(9.3)

где d_гор=d₁ — диаметр горловины, равный малому диаметру посадочного конуса клапана (при d_гор>d₁ площадь F_кл определяют по формулам для двух участков подъема клапана), см; α — угол фаски клапана, у современных двигателей α =45° для выпускных клапанов, α =45° и реже α =30° для впускных клапанов);

, см² при α=30º (9.4)

, см² при α=45º (9.5)

Максимальная высота подъема клапана (см) при известных значениях F_кл и α равна:

при α=30º (9.6)

при α=45º (9.7)

Максимальная высота подъема клапана в автомобильных двигателях изменяется в пределах h_{кл max} =(0,18…0,30)d_гор. Для угла α=45º величину h_{кл max} берут по верхнему пределу.