Урок 2.2.39. «Газораспределительный механизм»

Автомеханик МДК 01.02.

Механизм газораспределения (ГРМ) служит для своевременно­го выпуска отработавших газов и наполнения цилиндров свежим зарядом, в карбюраторных двигателях – горючей смесью топлива с воздухом, а у дизелей – воздухом.

Впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов обеспечивается своевременным открытием и закрытия впускных и выпускных клапанов двигателя, которые в закрытом состоянии при сжатии и рабочем ходе поршня также обеспечивают надежную герметизацию цилиндров. Различают клапанные и золотниковые механизмы газораспределения. В четырехтактных двигателях газообмен осуществляется с помощью клапа­нов. В двухтактном двигателе газообмен происходит под действием порш­ня, открывающего и закрывающего впускные и перепускные клапаны, или посредством смешанной системы газораспределения.

Клапанные механизмы газораспределения разделяют:

• по месту установки клапанов — верхнее расположение кла­панов в головке блока цилиндров (рис. 1 а) и нижнее — в блоке цилиндров (рис. 1 д);

• по месту установки распределительного вала — верхнее (рис. 1 б и в) и нижнее (рис. 1 а);

• по виду привода распределительного вала — зубчатый или шес­теренчатый (рис. 6), цепной (рис. 7) и ременный (рис. 2).

	д
Рис. 1 Типы газораспределительных механизмов	Рис. 2 Привод газораспределительного механизма двигателя ЗИЛ-508

Наиболее распространен газораспределительный механизм с верхним расположени­ем клапанов, что облегчает доступ к клапанам для их обслуживания, позволяет получить компактную камеру сгора­ния и обеспечить лучшее наполнение ее горючей смесью или воздухом.

Основные составляющие газораспределительного механизма:

• распределительный вал;

• механизм привода распределительного вала;

• клапанный механизм.

Работу газораспределительного механизма рассмотрим на примере двигателя с V-образным расположением цилин­дров (рис. 3 а).

Распределительный вал 6 находится в «развале» блока дви­гателя, то есть между его правым и левым рядами цилинд­ров. Он установлен в отверстиях блока с запрессованными бронзовыми втулками 8 (подшипники скольжения) и приводится во вращение от коленчатого вала через блок распределительных шестерен 1, 19.

При вращении распределительного вала 6 кулачок 4 набега­ет на толкатель 18 и поднимает его вместе со штангой 14. Верх­ний конец штанги 14 надавливает на регулировочный винт 16, установленный во внутреннем плече коромысла 12. Коромыс­ло 12, проворачиваясь на своей оси 11, наружным плечом нажи­мает на стержень клапана 15 и преодолевая усилия пружин 10 открывает отверстие 24 впускного или выпускного клапана в головке цилиндров 22 строго в соот­ветствии с фазами газораспределения и порядком работы цилиндров.

Стержни клапанов перемещаются в чугунных направляющих втулках 9, запрессованных в головку блока цилиндров 22. Направляющая втулка клапана удерживается в головке блока замочным кольцом 32. Седла клапанов 23, запрессованные в гнезде головки цилиндров, изго­товлены из жаростойкого чугуна. Оси коромысел установлены в стойках 13, которые закреплены на головках блока цилиндров.

Клапанный механизм двигателя ЗИЛ-508 (рис. 3 б) составляют клапаны 15, помещенные в чугунных направляющих втулках 9 с наружными стопорны­ми кольцами 32, седла 23 клапанов, пружины 10 и детали крепления пружин (нижняя опорная шайба 26, верхняя тарел­ка 28, конусные сухари 29). Обычно на двигателях устанавливают по две пружины 10 с противоположным направлением витков с тем, чтобы предотвратить вибрацию клапана.

Наружная и внутренняя пружины удерживаются опорной тарелкой 28, закрепленной на стержне клапана входящими в его выточку 30 разъемными сухарями 29, имеющими в сложенном виде форму усеченного конуса.

На стержень впускного клапана одевают резиновый маслосъемный колпачок 27, предотвращающий попадание масла в камеру сгорания. На двигателях ЗИЛ-508 и некоторых других верхняя часть стержня выпускного клапана выполняется пустотелой и заполняется натрием 33, который при нагревании плавится и эффективно охлаждает клапан путем переноса теплоты от головки к стержню и далее через направляющую втулку 9 к головке или блоку цилиндров.

а

б

Рис. 3 а) механизм газораспределения двигателя ЗИЛ-508; б) клапанный механизм 1 — шестерня распре­делительного вала; 2 — упорный фланец; 3 — эксцентрик привода бензонасоса; 4 — кулачки выпускных клапанов; 5 — кулачки впускных клапанов; 6 — распределительный вал; 7 — средняя шейка; 8 — втулка шейки вала; 9 — направ-ляющая втулка клапана; 10 — пружина; 11 — ось коромысел; 12 — коромысло; 13 — стойка оси коромысел; 14 — штанга; 15 — выпускной клапан; 16 — регулировочный винт; 17 — шестерня привода масляного насоса и распределителя; 18 — тол­катели; 19 — шестерня коленчатого вала; 20 — поршень; 21 — гильза цилиндра; 22 — головка блока цилиндров; 23 — жароупорная вставка; 24 — выпускной канал; 25 – фаска клапана; 26 – опорная шайба; 27 – маслосъемный колпачок; 28 – тарелка; 29 – сухари; 30 – выточка на стержне клапана; 31 – механизм вращения клапана; 32 – замочное кольцо; 33 – натрий.

С целью уменьшения подгорания посадочных фасок выпускных клапанов в некоторых двигателях устанавливают специальные приспособления для проворачивания клапана вокруг своей оси. В двигателе ЗИЛ-508 это устройство (рис. 4) состоит из корпуса 1, в наклонных канавках которого установлены пять шариков 3 с возвратными пружинами 2. Над шариками находится дисковая пружина 4, опорная шайба 6 и замочное кольцо 5. При закрытом клапане давление рабочей пружины невелико, дисковая пружина 4 не опирается на шарики и они под воздействием возвратных пружин 2 отжаты в крайнее положение.

Когда клапан открывается, рабочая пружина сжимается и давление на дисковую пружину 4 увеличивается. Она, прогибаясь, воздействует на шарики, которые под нагрузкой перемешаются в углубление канавок, вызывая поворот дисковой пружины и опорной шайбы 6, а вместе с ней и всего клапана с пружиной.

При закрытии клапана усилие его пружины уменьшается, дисковая пружина 4 возвращается в исходное положение, шарики освобождаются и под давлением пружин 2 закатываются в первоначальное положение.

На двигателях автомобилей КамАЗ, ГАЗ-53А и других клапан проворачивается за счет установки промежуточной конической втулки между сухариками и упорной шайбой. Это происходит потому, что конические поверхности сухариков и втулки не совпадают по всей площади.

Шестерни распределительных валов изготовляют из чу­гуна или текстолита, приводную распределительную шес­терню коленчатого вала — из стали. Зубья у шестерен ко­сые, что вызывает осевое перемещение вала. Для предуп­реждения осевого смещения предусмотрен упорный фланец 2 (рис. 3 а), который закреплен на блоке цилиндров между торцом пере­дней опорной шейки вала и ступицей распределительной ше­стерни.

Для правильной работы двигателя кривошипы коленча­того вала и кулачки распределительного вала должны нахо­диться в строго определенном положении относительно друг друга. Поэтому при сборке двигателя распределительные шестерни вводятся в зацепление по имеющимся на их зубь­ях меткам: одной — на зубе шестерни коленчатого вала, а другой — между двумя зубьями шестерни распреде­лительного вала. На двигателях, имеющих блок распреде­лительных шестерен, установка их производится также по меткам (рис. 2).

Фазы газораспределения — это моменты открытия и закры­тия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленча­того вала относительно мертвых точек. Качество газообмена определяется параметра­ми открытия клапанов: продолжительностью открытия и проходным сече­нием клапанной щели. Конструктивно это достигается задаваемым профилем (формой) кулачка и расположением впуск­ных и выпускных кулачков под соответствующими углами друг к другу.

Рис. 4. Устройство для проворачивания клапана вокруг своей оси: 1 – корпус; 2 – пружина; 3 – шарик; 4 – дисковая пружина; 5 – замочное кольцо; 6 – опорная шайба.

Рис. 5. Диаграмма фаз газораспределения двигателя ЗИЛ-508

Чтобы получить от дви­гателя наибольшую мощность, необходимо обеспечить более полную очистку цилиндров от продуктов сгорания и большее наполнение их горючей смесью. Для этого клапа­ны открываются в моменты, не совпадающие с ВМТ и НМТ, а с некоторым опережением в начале и запаздыванием в конце процесса впуска и выпуска (рис. 5).

Впускной клапан открывается с опережением в конце такта выпуска, когда поршень еще не доходит до ВМТ, а закрывается с запаздыванием в начале такта сжатия, когда поршень отойдет от НМТ.

Раннее открытие и позднее закрытие впускного клапана обеспечивают лучшее наполнение цилиндров горючей смесью за счет инерционного напора во впускном трубопроводе. Выпускной клапан открывается с опережением в конце рабо­чего хода — до НМТ, что позволяет отработавшим газам выхо­дить из цилиндра под собственным избыточным давлением. За­крывается он после ВМТ, в начале такта впуска, что обеспечивает лучшую очистку цилиндра, так как отработавшие газы в это вре­мя будут продолжать выходить из цилиндра по инерции.

Угол поворота коленчатого вала, на протяжении которого оба клапана в цилиндре открыты, называется перекрытием клапанов. Фазы газораспределения подбирают опытным путем в зависимости от числа оборотов дви­гателя, максимального крутящего момента, максимальной мощности и конструкции впускных и выпускных патрубков опытным путем в результате дли­тельных доводочных испытаний. Заводы-изготовители указывают фазы газораспределения для своих двигателей в виде таблиц или диаграмм.

Правильность установки газораспределительного меха­низма определяется по установочным меткам, которые рас­полагаются на распределительных шестернях или привод­ном шкиве блока цилиндров двигателя.

Отклонение при установке фаз приводит к выходу из строя клапанов или двигателя в целом. Постоянство фаз га­зораспределения сохраняется только при соблюдении рег­ламентируемого теплового зазора в клапанном механизме данной модели двигателя. Нарушение величины этого зазо­ра приводит к ускоренному износу клапанного механизма и потери мощности двигателя.

Последовательность чередования одноименных тактов в различных цилиндрах называется порядком работы цилин­дров двигателя, который зависит от расположения цилиндров и конструктивного исполнения коленчатого и распреде­лительного валов.

У четырехцилиндровых однорядных двигателей такты чередуются через 180° и порядок работы цилиндров может быть 1—3 — 4—2 (АЗЛК, ВАЗ) или 1—2—4—3 (ГАЗ).

В V-образных восьмицилиндровых четырехтактных дви­гателях шатунные шейки коленчатого вала располагаются под углом 90°, и при угле развала двигателя 90° одноимен­ные такты будут перекрываться в левом ряду цилиндров по отношению к правому ряду на 90° или 1/4 оборота коленча­того вала. Эти двигатели имеют следую­щий порядок работы цилиндров: 1 — 5 — 4 — 2 — 6 — 3 — 7—8.

Знание порядка работы цилиндров необходимо для правильного подсоединения проводов к свечам зажигания кар­бюраторных двигателей или трубопроводов высокого давле­ния дизельных двигателей, а также при регулировке тепло­вых зазоров клапанного механизма.

Тепловой зазор. В процессе работы двигателя клапаны и детали привода клапана нагреваются, длина их увеличивается. В результате между седлом и головкой клапана при тактах сжатия и расширения может образовываться зазор, что ведет к обгоранию фасок клапана и седла, их эрозионному изна­шиванию и в конечном итоге к ухудшению герметичности цилиндра, а следовательно, и резкому снижению технико-экономических показателей двигателя.

Для предотвращения этих явлений кинематическую цепь привода кла­пана при его закрытом состоянии размыкают, т. е. устанавливают зазор между торцом клапана и деталью привода, воздействующей на клапан (коро­мыслом или толкателем). В среднем тепловые зазоры в зависимости от типа двигателя составляют 0,15—0,30 мм для впускного клапана и 0,15—0,35 мм для выпускного.

На двигателе ВАЗ-2106 распределитель­ный вал 7 приводится во вращение от звездочки 2 (рис. 3) коленчатого вала 1 двухрядной роликовой цепью 3, которой вращается звездочка распределительного вала 6 и одновременно через звездочку 16 — вал привода мас­ляного насоса, распределителя зажигания и топливного насо­са.

Рис. 6. Механизм газораспределения двигателей ВАЗ-2106: 1 – коленчатый вал; 2 – звездочка коленчатого вала; 3 – цепь; 4 – башмак; 5 – натяжитель; 6 – звездочка распределительного вала; 7 – распределительный вал; 8 – рычаг; 9 – регулировочный болт; 10 – втулка регулировочного болта; 11 – клапаны; 12 – наружная пружины клапана; 13 – внутренняя пружина клапана; 14 – шпилечная пружина рычага; 15 – успокоитель цепи; 16 – звездочка привода масляного насоса; 17 – контргайка; 18 – стопорная пластина; 19 – замочное кольцо; 20 – направляющая втулка клапана; 21 – маслосъемный колпачок; 22 – шайба; 23 – нижняя опорная шайба; 24 – тарелка; 25 – сухари.

Рычаг 8 силой упругости шпилечной пружины 14 прижима­ется к торцу стержня клапана и к сферической поверхности регулировочного болта 9, ввернутого в стальную втулку 10 головки блока цилиндров.

При вращении распределительного вала 7 его кулачок набегает на рычаг 8, который, поворачиваясь на сферической опоре регу­лировочного болта 9, другим концом нажимает на стержень клапана 11 и открывает отверстие, сообщающее ка­меру сгорания ци­линдра с впуск­ным (впускной клапан) или вы­пускным (выпуск­ной клапан) тру­бопроводом.

При дальнейшем пово­роте вала кулачок сходит выпуклой частью с рычага, который при по­мощи шпилечной пружины 14 возвра­щается в исходное положение, а кла­пан под действи­ем пружины 12 закрывается. При этом между рычагом и затылком кулачка об­разуется тепловой зазор, который обеспечивает плотное за­крытие клапана при удлинении его стержня вследствие нагре­ва во время работы двигателя. Натяжение цепи осуществляется с помощью натяжного устройства. При удлинении цепи в процессе работы башмак 4 натяжного устройства будет автоматически перемещаться под действием натяжителя 5. Для снижения шума цепного привода рабочие поверхности успокоителя 15 и баш­мака 4 покрыты резиной с малым коэффициентом трения.

Механизм газораспределения с верхним расположением распределительного вала и клапанов с ременным приводом пока­зан на рис. 7.

в

Рис. 7. Механизм газораспределения с верхним расположением распределительного вала и клапанов с ременным приводом: а) Принципи­альная схема привода; б) схема привода распределительного вала двигателя ВАЗ-21083; в) клапанный механизм: 1 – зубчатый шкив коленчатого вала; 2 – зубчатый ремень; 3 – натяжной ролик; 4 – зубчатый шкив распределительного вала; 5 – кулачек распределительного вала; 6 – распределительный вал; 7 – толкатель; 8 – наружная пружины клапана; 9 – внутренняя пружина клапана; 10 – клапан 11 – задняя защитная крышка; 12 – коленчатый вал; 13 – зубчатый шкив насоса охлаждающей жидкости; 14 – регулировочная прокладка; 15 – сухари; 16 – тарелка; 17 – упорная шайба.

От зубчатого шкива 1 коленчатого вала ремнем 2 вращение передается на зубчатый шкив 4 распределительного вала. При вращении распределительного вала его кулачок 5 набегает на толкатель 7, который, нажимает на стержень клапана 9 и открывает отверстие, сообщающее ка­меру сгорания ци­линдра с впуск­ным (впускной клапан) или вы­пускным (выпуск­ ной клапан) тру­бопроводом. При дальнейшем пово­роте вала кулачок сходит выпуклой частью с толкателя и кла­пан под действи­ем пружины 8 закрывается. При этом между толкателем и затылком кулачка об­разуется тепловой зазор.

В приводе распределительного вала имеется натяжное ус­тройство ремня с роликом 3, а также может устанавливаться зубчатый шкив 13 для привода вспомогательных приборов дви­гателя.