Механизм газораспределения

Газораспределительный механизм предназначен для своевременного впуска в цилиндры горючей смеси (карбюраторные двигатели) или очищенного воздуха (дизели) и выпуска отработавших газов.

Ha двигателях КамАЗ-740.11 (рисунок 4.1), ЯМЗ-238 (рисунок 4.2), УМЗ-417

(рисунок 4.3) применен газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов и нижним расположением распределительного вала. Распределительный вал рядных двигателей устанавливается внизу рядом с коленчатым валом, а на V-образных двигателях установлен в развале блока и является общим для клапанов правого и левого ряда цилиндров.

1 – распределительный вал; 2 – толкатель; 3 – направляющая толкателей; 4 – штанга; 5 – прокладка крышки головки; 6 – коромысло; 7 – контргайка; 8 – регулировочный винт; 9 – болт крепления крышки головки; 10 – сухарь; 11 – втулка тарелки; 12 – тарелка пружины; 13 – наружная пружина; 14 – внутренняя пружина; 15 – направляющая втулка клапана; 16 – шайба; 17 – клапан

Рисунок 4.1 - Газораспределительный механизм двигателя КамАЗ-740.11

Открытие клапанов 17 (впускного и выпускного), перемещающихся в направляющих втулках 15, происходит под действием усилия, передаваемого от кулачков распределительного вала 1 через толкатели 2 штанги 4 и коромысла 6, установленные на осях. Закрытие клапанов осуществляется под действием пружин 13, 14, нижние концы которых упираются в шайбы 16. За два оборота коленчатого вала впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра открываются один раз, а распределительный вал за этот период делает один оборот, т. е. передаточное число зубчатого зацепления шестерен коленчатого и распределительного валов равно 2.

а – общий вид: 1 – коромысло; 2 – гайка; 3 – регулировочный винт; 4 – штанга; 5 – пята толкателя; 6 – ось толкателя; 7 – толкатель; 8 – болт крепления стойки оси; 9 – тарелка пружины; 10 – втулка; 11 – сухарь; 12, 13 – пружины наружная и внутренняя; 14 – направляющая втулка клапана; 15 – впускной клапан; 16 – распределительный вал; 17 – ролик толкателя; 18 – седло выпускного клапана; 19 – выпускной клапан; б – толкатель: 1 – ролик; 2 – игольчатый подшипник; 3 – ось ролика; 4 – втулки; 5 – пята

Рисунок 4.2 - Газораспределительный механизм двигателя ЯМЗ-238

1 – сухарики; 2 – коромысло; 3 – регулировочный винт; 4 – контргайка; 5 – ось коромысел; 6 – стойка; 7 – головка блока цилиндров; 8 – распределительный вал; 9 – толкатель; 10 – штанга; 11 – седло клапана; 12 – клапан; 13 – направляющая втулка клапана; 14 – стопорное кольцо; 15 – шайба; 16 - пружина; 17 – резиновый колпачок; 18 – пружина колпачка; 19 – тарелка пружины

Рисунок 4.3 - Газораспределительный механизм двигателя УМЗ-417

Распределительный вал (рисунок 4.4) изготавливают из стали или специального чугуна и подвергают термической обработке. Профиль его кулачков как впускных, так и выпускных у большинства двигателей делают одинаковым. При шлифовании кулачкам придают небольшую конусность Взаимодействие сферической поверхности торца толкателей с конической поверхностью кулачков обеспечивает их поворот в процессе работы. Число опорных шеек 1 распределительного вала обычно равно числу коренных подшипников коленчатого вала. Втулки опорных шеек изготавливают из стали, а внутреннюю поверхность их покрывают антифрикционным сплавом.

1 – опорная шейка; 2 – кулачок; 3 – корпус подшипника; 4 – шестерня распределительного вала

Рисунок 4.4 - Распределительный вал двигателя КамАЗ-740.11

Привод распределительного вала. Распределительный вал в двигателях КамАЗ-740.11, ЯМЗ-238, УМЗ-417 приводится в движение при помощи шестерен. Ведущая шестерня 5, 16 такой передачи (рисунок 4.5) установлена на переднем конце коленчатого вала, а ведомая шестерня 9, 15 – на переднем конце распределительного вала. Шестерня привода должны входить в зацепление между собой при строго определенном положении коленчатого и распределительного валов, что обеспечивает правильность заданных фаз газораспределения и порядка работы двигателя. Поэтому при сборке двигателя шестерни вводятся в зацепление по меткам на их зубьях. Чтобы уменьшить уровень шума шестерен, их изготавливают с косыми зубьями и из различных материалов.

Толкатели предназначены для передачи усилия от распределительного вала через штанги к коромыслам. Изготавливают их из стали или чугуна. В двигателях КамАЗ-740.11 и УМЗ-417 применены цилиндрические толкатели 2 (см. рисунок 4.1) и 9 (см. рисунок 4.3), установленные в специальных отверстиях – направляющих. У дизеля КамАЗ-740.11 направляющие съемные. Внутренняя полость толкателя имеет сферическую поверхность под штангу и отверстие для слива масла.

а б

в

а – КамАЗ-740.11; б – ЯМЗ-238; в – УМЗ-417; 1 – ось ведущей шестерни привода распределительного вала; 2 – ролики; 3 – втулка роликов; 4 – шестерня ведущая; 5, 16 – ведущая шестерня коленчатого вала; 6 – шестерня промежуточная; 7 – шарикоподшипник; 8 – вал привода топливного насоса высокого давления; 9, 15 – шестерня привода распределительного вала; 10 – шестерня привода топливного насоса высокого давления; 11 – втулка; 12 – шестерня привода вентилятора; 13, 14 – шестерни привода топливного насоса высокого давления; 17 – коленчатый вал; 18, 20 – шестерни привода масляного насоса; 19 – масляный насос; 21 – топливный насос высокого давления

Рисунок 4.5 - Метки на шестернях привода распределительного вала

В двигателе ЯМЗ-238 применены качающиеся роликовые толкатели 7

(рисунок 4.2), установленные на общей оси 6.

Штанги. Служат для передачи усилия от толкателей к коромыслам.

В дизеле КамАЗ-740.11 и ЯМЗ-238 штанги 4 (рисунок 4.1, 4.2) делают из стальной трубки. На концах штанг напрессовывают стальные сферические наконечники, которыми они с одной стороны упираются в сферические поверхности регулировочных винтов 8 (рисунок 4.1) и 3 (рисунок 4.2), ввернутых в коромысло 6 и 1, а с другой – в толкатели. Для УМЗ-417 штанги изготавливают из дюралюминиевого стержня со стальными сферическими наконечниками 10 (рисунок 4.3).

Коромысла. Служат для передачи усилия от штанги к клапану, представляют собой неравноплечий рычаг, изготовленный из стали или чугуна. Плечо «а» коромысла 2 примерно в 1,5 раза больше плеча «б» (рисунок 4.3). Наличие длинного плеча коромысла не только уменьшает ход толкателя и штанги, но и снижает силы инерции, возникающие при их движении, что способствует повышению долговечности деталей привода клапанов.

Коромысла карбюраторных двигателей расположены на общей полой оси 5 (рисунок 4.3), в конце которой запрессованы заглушки, что позволяет подводить масло к бронзовым втулкам коромысел и к сферическим наконечникам регулировочных винтов 3. Оси 5 в сборе с коромыслами устанавливают на каждой головке цилиндра с помощью стоек 6.

На дизеле КамАЗ-740.11 и ЯМЗ-238 коромысла впускного и выпускного клапанов установлены консольно на осях, выполненных заодно со стойкой коромысел; стойка установлена на головке. Осевое перемещение коромысел ограничено пружинным фиксатором. К каждому коромыслу через отверстия в стойке коромысел подводится смазка.

Клапаны. Открытие и закрытие впускных и выпускных каналов, соединяющих цилиндры с газопроводами системы питания, происходит при помощи клапанов. Клапан состоит из плоской головки и стержня, соединенных между собой плавным переходом. Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью диаметр головки впускного клапана делают больше, чем диаметр выпускного.

Так как клапаны работают в условиях высоких температур, их изготавливают из высококачественных сталей, впускные клапаны делают из хромистой стали, выпускные – из жаростойкой, так как последние соприкасаются с горячими отработавшими газами и нагреваются до температуры 600-800 °С. Высокая температура нагрева клапанов вызывает необходимость установки в головке цилиндров специальных вставок 18 (рисунок 4.2) и 11 (рисунок 4.3) из жаропрочного чугуна, которые называются седлами.

Для плотного прилегания головок клапанов к седлам их рабочие поверхности делают коническими в виде тщательно обработанных фасок под углами 45° или 30°.

Стержни клапанов 17 (рисунок 4.1) имеют цилиндрическую форму. Они перемещаются в чугунных или металлокерамических втулках 15, запрессованных в головку блока. На конце стержня проточены цилиндрические канавки под выступы конических сухариков 10, которые прижимаются к конической поверхности втулки тарелки 11 под действием пружин 13, 14. Для повышения работоспособности газораспределительного механизма клапаны прижимаются к седлам не одной, а двумя пружинами. В этом случае направление витков пружин делается различным, чтобы при поломке одной из пружин ее витки не попадали между витками другой, и не нарушалась безотказная работа клапанного механизма.

На впускных клапанах в верхней части направляющих втулок (двигатели КамАЗ-740.11, УМЗ-417) устанавливают резиновые колпачки, которые при открытии клапанов плотно прижимаются к его стержню и к направляющей втулке, вследствие чего устраняется возможная утечка (подсос) масла в цилиндры через зазор между втулкой и стержнем клапана.

Чтобы обеспечить плотное прилегание головки клапана к седлу, необходим определенный тепловой зазор между стержнем клапана и носком коромысла. Тепловые зазоры в клапанах изменяются вследствие их нагрева, изнашивания и нарушения регулировок. Когда зазор в клапанах увеличен, они открываются не полностью, в результате чего ухудшается наполнение цилиндров горючей смесью и очистка их от продуктов сгорания, а также повышаются ударные нагрузки на детали клапанного механизма.

Для плотного прилегания головки клапана к седлу тепловой зазор А (рисунок 4.1, 4.2, 4.3) устанавливают между носком коромысла и торцом стержня клапана.

В непрогретых двигателях УМЗ-417 зазоры должны быть для выпускных клапанов первого и четвертого цилиндров 0,30-0,35 мм, для остальных клапанов 0,35-0,40 мм, на дизелях КамАЗ-740.11 и ЯМЗ-238 для впускных клапанов 0,25-0,30 мм, а для выпускных 0,35-0,40 мм.

Фазы газораспределения

Под фазами газораспределения понимают моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженных в градусах угла поворота коленчатого вала.

При рассмотрении рабочих процессов двигателей в первом приближении было принято, что открытие и закрытие клапанов происходит в мертвых точках.

Однако в действительности это не совсем так. Клапаны открываются и закрываются с некоторым, иногда очень значительным, опережением или запаздыванием, что необходимо для улучшения наполнения цилиндров чистым воздухом (дизели) или горючей смесью (карбюраторные двигатели) и лучшей очистки их от отработавших газов. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала по отношению к соответствующим мертвым точкам, называют фазами газораспределения и изображают в виде круговых диаграмм. Рассмотрим общую диаграмму фаз газораспределения четырехтактного двигателя (рисунок 4.6). Впускной клапан открывается (точка 1) с опережением (угол a), т. е. до прихода кривошипа коленчатого вала и поршня в ВМТ. Вследствие этого в начале движения поршня вниз впускной клапан будет уже открыт на значительную величину и наполнение цилиндра (вследствие разрежения) воздухом или горючей смесью улучшается. Закрывается впускной клапан (точка 2) с запаздыванием (угол δ), т. е. кривошип вала и поршень проходят НМТ, поднимаются вверх, совершая такт сжатия, а клапан в это время еще открыт и горючая смесь или воздух по инерции заполняют цилиндр.

Рисунок 4.6 - Диаграммы фаз газораспределения

Выпускной клапан открывается (точка 3) до прихода кривошипа коленчатого вала и поршня в НМТ, т. е. с опережением (угол γ). Поршень движется вниз, а отработавшие газы уже начинают выходить из цилиндра, так как давление в нем больше атмосферного. Закрытие выпускного клапана (точка 4) происходит с запаздыванием (угол β) – после перехода кривошипом вала и поршнем ВМТ. В этом случае используется отсасывающее действие потока газов в выпускном трубопроводе.

Таким образом, в результате открытия выпускного клапана с опережением и закрытия его с запаздыванием улучшается очистка цилиндра от отработавших газов. Анализируя диаграмму, видим, что в течение некоторого времени коленчатый вал поворачивается на угол, равный сумме углов a + β, открыты оба клапана – впускной и выпускной. Этот период называют перекрытием клапанов.

Для правильной установки фаз газораспределения распределительные зубчатые колеса двигателя необходимо точно соединять по меткам.

Фазы газораспределения некоторых отечественных двигателей приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Фазы газораспределения двигателей, град ПКВ