Назначение и принцип работы механизма газораспределения

Лекция 15

Механизм газораспределения

Назначение, состав и принцип работы механизма газораспределения

2. Привод клапанов

3. Привод распределительных валов

Назначение и принцип работы механизма газораспределения

Определение: кулачковый механизм, преобразующий вращательное движе­ние вала в возвратно-поступательное движение клапанов, осуществляемое за 1/4 поворота вала (рис. 1).

Назначение: Обеспечивает газообмен в цилиндрах при работе поршневого двигателя, то есть впуск в цилиндры свежей порции рабочего тела (воздуха или топливной смеси) и удаление отработавших газов на тактах впуска и выпуска, а так же герметич­ность камеры сгорания в остальные фазы рабочего цикла.

. В настоящее время в поршневых дви­гателях используют механизмы газораспределения только с верхним расположением клапанов.

Состав: Механизм газораспределения при верхнем расположениикулач­кового вала включает в себя кулачковый вал (1…4), привод к нему (шесте­ренчатый, ременной или цепной) от коленчатого вала, коромысло со стойками и узлом крепления, клапанную пружину, впускные (1...3 на цилиндр) и выпускные (1...2) клапаны, седло клапана. Если вал расположен внизу, то механизм газораспределения дополнительно содержит толкатель и штангу. Как правило, двига­тель имеет два клапана на цилиндр (могут встречаться конструкции с тремя и четырьмя клапанами на цилиндр). Они могут быть размещены в плоскости, параллельной оси коленчатого вала или перпендикуляр­ной этой оси. В дизелях применяется только первый способ размеще­ния клапанов.

Конструкции механизмов газораспределения с нижним располо­жением вала имеют более компактный и простой привод, однако мас­сы движущихся деталей здесь больше по сравнению с конструкцией механизма с верхним валом.

Принцип действия: распределительный вал вращается с частотой в полови­ну меньшей частоты вращения коленвала. Кулачок набегает на привод клапана, вынуждая его перемещаться в направляющей втулке. При этом открывается соот­ветствующее отверстие в камере сгорания. Когда кулачок сходит с деталей при­вода, клапан под действием пружины плотно садится на седло, герметизируя от­верстие.

Распределительный вал: вал с кулачками по числу обслуживаемых клапа­нов. Определяет порядок работы цилиндров. Вращается на подшипниках сколь­жения в гнездах, выполненных в головке цилиндров. Изготавливается из чугуна или стали. Для повышения износостойкости рабочие поверхности кулачков отбе­ливаются на глубину не менее 0, 2 мм.

Клапан: В механизме газораспределения в наи­более тяжелых условиях работают клапаны. Они подвергаются высо­ким динамическим и тепловым нагрузкам. Температура выпускного клапана может достигать 1000—1100 К, а впускного — 600—700 К. Клапаны взаимодействуют с химически активным рабочим телом, движущимся со скоростью 500—600 м/с и имеющим температуру 1500—1700 К (при выпуске). Клапан представляет

Рис. 1. Газораспределительный механизм

собой устройство для открытия отверстий, соединяющих камеру сгорания с впускным или выпускным трубопроводом. Состоит из тарельчатой круглой го­ловки и стержня, через который осуществляется управляющее воздействие. Стержень движется в направляющей втулке, запрессованной в головку цилинд­ров. Рабочая поверхность головки тщательно подгоняется к отверстию цилинд­ра - притирается к седлу клапана.

Впускной клапан целиком изготавливают из хромокремнистой стали (40Х, 40ХНМА). Выпу­скной клапан делают составным: стержень из хромоникельмолибденовой стали с хорошей теплопроводностью для отвода тепла от головки клапана к направляю­щей втулке, а головка - из жаропрочной хромоникельмарганцовистой стали (ЭИ69, Х10СМ, 40СХ10МА). На­правляющие втулки клапанов изготавливают из чугуна или металлокерамики.

Седла клапанов работают примерно в тех же условиях, что и кла­паны, правда, осуществить отвод теплоты от них легче. Седла изго­товляют из жаростойких сталей или специальных легированных чугунов. Для установки седел в головках делаются гнезда. Седла в гнездо устанавливаются запрессовкой, натягом или крепятся с по­мощью развальцовки гнезда, расчеканки головки и, наконец, на резьбе.

Маслоотражающие колпачки. На направляющие втулки надеваются кол­пачки из фторкаучуковой резины, которые охватывают стержень клапана и слу­жат для уменьшения проникновения масла в камеру сгорания через зазоры между направляющей втулкой и стержнем клапана во время такта впуска.

Пружины прижимают клапан к седлу и не позволяют ему отрываться от при­вода. Пружины нижними концами опираются на головку цилиндров, а верхними - на опорную тарелку, удерживаемую на стержне клапана двумя сухарями, имею­щими в сложенном виде форму усеченного конуса. Такая конструкция обеспечи­вает надежное соединение и поворот клапанов при работе, благодаря чему они изнашиваются равномернее. Пружины кла­пана подвергаются действию значительных переменных нагрузок, поэтому должны быть упругими, иметь высокую частоту собственных колебаний, превышающую частоту приложения нагрузки. Резонанс пружины крайне нежелателен, так как отскоки клапана при этом могут привести к встрече клапана с поршнем и поломке двигателя. Как правило, ставят цилиндрическую пружину, но иногда и две. Материал пружины — стали 65Г, С65, 50ХВА. Для повышения уста­лостной прочности пружин их обдувают дробью, а для предотвращения ранней коррозии покрывают защитными пленками лака, эмали, кадмируют, оцинковывают.

2. Привод клапанов

Привод клапанов предназначен для передачи усилия от кулачков распреде­лительного вала к клапанам, при помощи коромысел, рычагов или цилиндриче­ских толкателей.

Коромысла и рычаги используются для привода расположенных в два ряда клапанов от одного распредвала. Для увеличения подъёма клапана плечи коромы­сел и рычагов делают неравными (с передаточным отношением 1, 2—1, 4).

Если ось распределительного вала можно расположить над рядом клапанов, применяют цилиндрические толкатели. Они имеют наименьшую массу и инерци­онность. Толкатели изготовлены в виде цилиндрических стаканов и находятся в направляющих головки цилиндров. В торцевом углублении толкателя размещает­ся регулировочная шайба, обеспечивающая необходимый тепловой зазор между кулачком распределительного вала и толкателем. При работе двигателя толкатели немного поворачиваются вокруг своих осей (для равномерного износа), за счет смещения оси кулачка относительно оси толкателя.

Гидравлический компенсатор теплового зазора.

При нагревании стержень клапана удлиняется. Для того, чтобы он не уперся в детали привода, в холодном состоянии между ними оставляют определенный промежуток, называемый тепловым зазором. Эти зазоры требуют постоянного контроля и регулировки. Для снижения трудоёмкости обслуживания многокла­панных ДВС применяют гидравлические компенсаторы теплового зазора - плун­жерные пары, представляющие собой цилиндр в виде перевернутого стакана и поршня, между которыми находится масляная полость.

Они устанавливаются между кулачком и стержнем клапана и заполняются от системы смазки. Усилие от кулачка передается через слой масла, считающегося сжимаемым при существующих нагрузках.

Схемы расположения клапанов и распредвалов (рис. 2)

- Верхнее расположение клапанов приводимых толкателями от нижнего рас­предвала (ОНУ);

- Верхнее распределение клапанов, приводимых от верхнего распредвала (ОНС: Over Head Camshaft).

Для уточнения числа распредва­лов используют обозначения: SOHC (Single Over Head Camshaft) - один или БОНС (Double Over Head Camshaft) - два верхних распредвала.

Для многоклапанных двигателей обычно используют схему БОНС. На некоторых моделях Ford моторы с таким индексом имеют только по два клапана на цилиндр.

3. Привод распределительных валов

Привод распределительных валов осуществляется либо ременной зубчатой передачей (75% двигателей), либо цепной, либо шестеренчатой передачей от коленчатого вала.

Преимущества ременного привода:

- практически бесшумен;

- не требует смазки;

- лучше демпфирует колебания;

- удлиняется в процессе работы не более 0, 3%;

- низкая стоимость.

Недостатки ременного привода:

- нуждается в периодической проверке, так как при обрыве ремня поршень на­талкивается на неуправляемый клапан;

- малый срок службы (для бензиновых - 120 000...160 000 км, для дизельных - 90 000…160 000 км).

Первоначально зубья на ремнях, как и на шкивах, были полукруглыми, одна­ко примерно с 1989 года полукруг превратился в подобие трапеции. Изделия взаимозаменяемы. Шаг зубьев составляет 3/8 дюйма или 9, 525 мм. Международ­ное обозначение по 1БО - 58111х19.

Преимущества цепного привода:

- надежность;

- долговечность.

Недостатки цепного привода:

- постепенное удлинение из-за износа шарнирных соединений (до 20%) требует устройства автоматического натяжения;

- необходим герметичный картер (работает в масляном " тумане");

- изнашивается неравномерно (становится источником колебаний в ГРМ и при­чиной неровной работы двигателя).

Фазы газораспределения

Мощность, крутящий момент, расход топлива, токсичность двигателя зави­сят от формы кулачков распределительного вала, определяющих эффективность наполнения цилиндров и удаления продуктов сгорания. Моменты открытия и за­крытия клапанов конкретного мотора определяются экспериментально и называ­ются фазами газораспределения (рис. 3).

Впуск горючей смеси в цилиндр начинается после прохождения поршнем верхней мертвой точки и заканчивается после нижней. Самые бла­гоприятные условия для потока смеси создаются только в средней трети такта - когда клапан от­крыт полностью. В остальное время - в моменты приоткрывания и перед закрытием клапана - во впускном коллекторе возникают турбулентные за­вихрения, снижающие эффективность наполнения цилиндра. Нужно начинать такт впуска немного раньше - чтобы к моменту прохода поршня через ВМТ и началу возникновения разрежения в коллекторе впускной клапан был уже полностью открыт. Эффективность наполнения цилиндра и удельная мощность резко возрастают, но увеличивается расход топлива, кроме того, появляются про­блемы с устойчивостью работы двигателя на невысоких оборотах.

Для лучшего удаления из цилиндра отработанных газов при высоких часто­тах клапан должен открываться раньше и закрываться позднее. Но на низких обо­ротах мощность уменьшится, потому что через преждевременно открытый выпу­скной клапан цилиндр покинут отработанные газы, имевшие высокое, нерастра­ченное на полезную работу давление, а расход топлива увеличится, так как вслед за этими газами по причине позднего закрытия клапана из цилиндра будет выдав­лена часть свежей смеси.

Таким образом, невозможно обеспечить оптимальные фазы газораспределе­ния на всех режимах работы ДВС. Добиться наилучших мощностных и экономи­ческих характеристик двигателя можно лишь в узком диапазоне оборотов, ценой ухудшения показателей на всех остальных рабочих режимах.

Возникает необходимость введения в газораспределительный механизм сис­темы, регулирующей фазы газораспределения в течение работы двигателя

Изменяемые фазы газораспределения

Исследования привели к созданию моторов с изменяемыми фазами газорас­пределения (рис. 4), в которых - за счет поворота впускного распределительного вала относительно коленчатого - период впуска меняется от опережения (при пуске мотора и оборотах от 1500 до 5000 об/мин) до запаздывания (до 1500 и свыше 5000 об/мин). Изменение фаз выпуска большого влияния на работу двига­теля не оказывает.

На низких оборотах фазы становятся узкими, перекрытие маленьким, и на низких оборотах происходит хорошее наполнение цилиндров. Как только двига­тель набирает обороты, фазы расширяются, появляется большая фаза перекрытия, цилиндры начинают хорошо продуваться, и увеличивается крутящий момент.

Рис. 4. Система изменения фаз газораспределения Vario CAM Plus двигателя Porsche: 1 - зубчатое коле­со для привода цепью от коленчатого вала; 2 - муфта переключения фаз;

3 - гидравлический толкатель клапа­на; 4 - кулачок распределительного вала, изменяющий высоту подъема;

5 - диапазон изменения хода клапа­нов

Конструкторы Honda в 1993 г. создали систему VTEC («Variable valve Timing and lift Electronic Control» - электронная система управления временем открытия и высотой подъема клапанов), которая изменяет не только фазы газораспределе­ния (VVT), но и алгоритм открытия и закрытия клапанов.

Они разделили все режимы работы двигателя на две группы - с низкими и вы­сокими оборотами, и предложили в зависимости от диапазона оборотов, с кото­рыми работает силовой агрегат, обслуживать каждый клапан одним из двух ку­лачков с различным профилем.

VTEC дважды модернизировался, и сегодня известно уже третье поколение этой системы, отличительная особенность которой от предшественниц состоит в том, что она различает не два скоростных режима, как прежде, а подбирает фазы газораспределения и величину открытия клапанов для трех режимов работы дви­гателя. В арсенале Honda имеется несколько разновидностей VTEC, например та­кая, где на низких оборотах один из двух впускных клапанов не открывается.

В варианте с двумя распредвалами к надписи " VTEC" добавлялись знамени­тые три буквы VTi, а моторы развивали невероятные 100 л.с. с литра рабочего объема. Встречается еще надпись " VTEC-E", что означает экономичную настрой­ку системы. Новое поколение двигателей оснащено модернизированной системой изменения фаз газораспределения, называется она i-VTEC (intelligent VTEC). Бук­ва " i" означает " думающую" технологию. Благодаря ей двигатели стали эконо­мичнее, легче и экологически чище. Кроме того, улучшился крутящий момент во всех диапазонах работы. Вскоре за Honda последовали другие автопроизводители. Сохранив суть изобретения, они изменили только название. Toyota обозначает свою систему буквами VVT-i, Nissan - NVCS, Mitsubishi - MIVEC, BMW - Vanos, а чуть позже, после доработки - Double Vanos.

Двигатели Honda VTEC, как, кстати, и имеющие похожее устройство моторы MiVEC компании Mitsubishi, предлагают ступенчатое управление клапанами, а значит, далеко не оптимальное газораспределение. Если же регулировать газооб­мен в двигателе с помощью изменения угла расположения распредвала, то появ­ляется возможность плавного управления работой мотора на всех скоростных и нагрузочных режимах. Ставку на такие системы сделала компания BMW.

Работой газораспределительного механизма управляла система VANOS, по­ворачивавшая распредвал впускных клапанов на определенный угол относитель­но начального положения и изменявшая тем самым моменты открытия и закрытия этих клапанов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель.

Для модели BMW M3 была разработана более сложная разновидность систе­мы, получившая название Double VANOS. Здесь возможность поворачиваться приобрел не только распредвал, управляющий впускными клапанами, но и рас­предвал выпускных клапанов, причем если угол поворота первого составлял 62 градуса, то второй мог поворачиваться на 40 градусов, а по времени процесс, при котором распредвалы занимали наиболее выгодное положение, растягивался не более чем на четверть секунды.

Однако, несмотря на то, что система Double VANOS способна с большим приближением к идеалу обеспечивать эффективное газораспределение на многих режимах работы двигателя, ее потенциал также ограничен. В частности, на режи­мах малых нагрузок и низких оборотов коленчатого вала количество воздуха, по­падающего в цилиндры, определяет положение дроссельной заслонки. И чем больше эта заслонка прикрыта, тем меньше возможностей остается у Double VANOS воздействовать на работу двигателя.

Чтобы исключить негативное влияние дроссельной заслонки, конструкторы BMW разработали систему Valvetronic, которая управляет не фазами газораспре­деления, а высотой подъема впускных клапанов. Механическая часть Valvetronic состоит из дополнительного поворачивающегося вала в головке цилиндров, кото­рый способен ограничивать ход клапанов, выбирая высоту их подъема в зависи­мости от режима работы двигателя. Сложнейшая задача потребовала разработки специального механизма, который мог бы работать с величайшей точностью, обеспечивая диапазон подъема клапана 0 - 9, 7 мм. Привычная цепочка «распред- вал-коромысло-клапан» была дополнена эксцентриковым валом и промежуточ­ным рычагом. Эксцентриковый вал вращается приводимый от электродвигателя через червячную передачу. В созданной кинематической цепи электромотор, «ру­ководимый» компьютером, поворачивая эксцентриковый вал, увеличивает или уменьшает плечо промежуточного рычага, задавая необходимую свободу пере­мещения коромыслу, с одной стороны опирающемуся на гидротолкатель, а с дру­гой воздействующему на впускной клапан. Меняется плечо промежуточного ры­чага - меняется высота подъема клапанов в соответствии с нагрузкой на двига­тель.

Благодаря этому на высоких оборотах достигается наилучшая вентиляция ци­линдра и его заполнение топливно-воздушной смесью. При небольших оборотах ход клапана минимален, соответственно минимален и расход топлива. С ростом числа оборотов величина открытия клапанов увеличивается, уменьшается сопро­тивление газовым потокам внутри цилиндра, возрастает скорость продувки и на­полнения цилиндра топливно-воздушной смесью. Революционность данной сис­темы заключается в том, что она позволила отказаться от дроссельной заслонки. Встретить надпись " Valvetronic" можно только на автомобилях, начиная с 2001 года выпуска.

Испытания показали, что при 15-процентном повышении себестоимости дви­гатели с новой системой газораспределения, получившей название Valvetronic, дают 18-процентное снижение расхода топлива при работе на холостом ходу и 10­процентное при работе на частичных нагрузках. Проблема соответствия экологи­ческим нормам успешно решена. Самое интересное, что, введя столько нового, старую дроссельную заслонку не убрали из двигателя совсем. Она стала необхо­дима лишь при диагностике системы Valvetronic. На всех режимах заслонка не работает, оставаясь полностью открытой.