Что заставляет клапан плотно прилегать к седлу
Перейти к содержимому

Что заставляет клапан плотно прилегать к седлу

  • автор:

Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов. Он включает в себя элементы привода, распределительную шестерню, распределительный вал, детали привода клапанов, клапана с пружинами и направляющие втулки.

Распределительный вал служит для открытия клапанов в определенной последовательности в соответствии с порядком работы двигателя. Распредвалы отливают из специального чугуна или отковывают из стали. Трущиеся поверхности распределительных валов для уменьшения износа подвергнуты закалке при помощи нагрева токами высокой частоты.

Распредвал может располагаться в картере двигателя либо в головке блока цилиндров. Существуют двигатели с двумя распредвалами в головке цилиндров (в многоклапанных ДВС). Один используется для управления впускными клапанами, второй – выпускными. Такая конструкция называется DOHC (Double Overhead Camshaft). Если распредвал один, то такой ГРМ именуется SOHC (Single OverHead Camshaft). Распредвал вращается на цилиндрических шлифованных опорных шейках.

Привод клапанов осуществляется расположенными на распределительном валу кулачками. Количество кулачков зависит от числа клапанов. В разных конструкциях двигателей может быть от двух до пяти клапанов на цилиндр (3 клапана – два впускных, один выпускной; 4 клапана – два впускных, два выпускных; 5 клапанов – три впускных, два выпускных). Форма кулачков определяет моменты открытия и закрытия клапанов, а также высоту их подъема.

Привод распределительного вала от коленчатого вала может осуществляться одним из трех способов: ременной передачей, цепной передачей, а при нижнем расположении распредвала – зубчатыми шестернями. Цепной привод отличается надежностью, но его устройство сложнее и цена выше. Ременной привод существенно проще, но ресурс зубчатого ремня ограничен, а в случае его разрыва могут наступить тяжелые последствия.

При обрыве ремня распредвал останавливается, а коленвал продолжает вращаться. Чем это грозит? В простых двухклапанных моторах, где, как правило, поршень конструктивно не достает до головки открытого клапана, ремонт ограничивается заменой ремня. В современных многоклапанных двигателях при обрыве ремня поршни ударяются о клапана, «зависшие» в открытом состоянии. В результате сгибаются стержни клапанов, а также могут разрушиться направляющие втулки клапанов. В редких случаях разрушается поршень.

Еще тяжелее при обрыве ремня приходится дизелям. Так как камера сгорания у них находится в поршнях, то в ВМТ у клапанов остается очень мало места. Поэтому при зависании открытого клапана разрушаются толкатели, распредвал и его подшипники, велика вероятность деформирования шатунов. А если обрыв ремня произойдет на высоких оборотах, возможно даже повреждение блока цилиндров.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя происходит за два оборота коленвала. За это время должны последовательно открыться впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра. Поэтому распредвал должен вращаться в два раза медленнее коленвала, а, следовательно, шестерня распредвала всегда в два раза больше шестерни коленвала. Клапаны в цилиндрах должны открываться и закрываться в зависимости от направления движения и положения поршней в цилиндре. При такте впуска, когда поршень движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан должен быть открыт, а при тактах сжатия, рабочего хода и выпуска – закрыт. Чтобы обеспечить такую зависимость, для правильной установки на шестернях ГРМ делают метки.

Привод клапанов может осуществляться разными способами. При нижнем расположении распредвала, в картере двигателя, усилие от кулачков передается через толкатели, штанги и коромысла. При верхнем расположении возможны три варианта: привод коромыслами, привод рычагами и привод толкателями.

Коромысла (другие названия – роликовый рычаг или рокер) изготавливают из стали. Коромысло устанавливают на полую ось, закрепленную в стойках на головке цилиндров. Одной стороной коромысла упираются в кулачки распредвала, а другой воздействуют на торцевую часть стержня клапана. В отверстие коромысла для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку. От продольного перемещения коромысло удерживается при помощи цилиндрической пружины. Во время работы двигателя в связи с нагревом клапанов их стержни удлиняются, что может привести к неплотной посадке клапана в седло. Поэтому между стержнем клапана и носком коромысла должен быть определенный тепловой зазор.

Во втором варианте распредвал располагается над клапанами, и приводит их в действие посредством рычагов. Кулачки распределительного вала действуют на рычаги, которые, поворачиваясь на сферической головке регулировочного болта, другим концом нажимают на стержень клапана и открывают его. Регулировочный болт ввернут во втулку головки цилиндров и стопорится контргайкой. Существуют ГРМ, в которых между рычагом и клапаном устанавливается гидрокомпенсатор. Такие механизмы не требуют регулировки зазора.

И, наконец, при третьем варианте привода распределительный вал при вращении воздействует непосредственно на толкатель клапана. Существует три варианта исполнения толкателей – механические (жесткие), гидротолкатели (гидрокомпенсаторы) и роликовые толкатели. Первый тип в современных моторах практически не используется, в связи с большой шумностью работы и необходимостью частой регулировки зазора клапанов. Второй тип наиболее широко применяется, так как не требует настройки и регулировки теплового зазора, а работа отличается мягкостью и гораздо меньшим шумом. Гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Работа гидрокомпенсатора основана на свойстве несжимаемости моторного масла, которое постоянно заполняет его внутреннюю полость и перемещает поршень при появлении зазора в приводе клапана.

Роликовые толкатели чаще всего применяются в спортивных и форсированных двигателях, так как позволяют улучшить динамические характеристики автомобиля за счет снижения трения. В месте контакта с кулачком распредвала у них находится ролик. Поэтому кулачок не трется, а катится по толкателю. Вследствие этого роликовые толкатели выдерживают более высокие нагрузки и обороты, а также позволяют обеспечить более высокий подъем клапанов. Недостатки – большая стоимость и вес, а, значит, и большие нагрузки на детали ГРМ.

Клапаны служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов. Клапан состоит из головки и стержня. Головка клапана имеет узкую, скошенную под определенным углом, фаску. Фаска клапана должна плотно прилегать к фаске седла. Для этой цели их взаимно притирают. Головки впускных и выпускных клапанов имеют неодинаковый диаметр. Для лучшего наполнения цилиндров свежей горючей смесью диаметр головки впускного клапана делают больше. Клапаны во время работы двигателя нагреваются неодинаково. Выпускные клапаны, контактирующие с отработанными газами, нагреваются больше. Поэтому их изготавливают из жароупорной стали.

Стержень клапана цилиндрической формы в верхней части имеет выточку для деталей крепления клапанной пружины. Стержень выпускного клапана – полый, с натриевым наполнением для лучшего охлаждения. Стержни клапанов помещают в направляющих втулках, изготовленных из чугуна или металлокерамики. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.

Клапан прижимается к седлу при помощи цилиндрической стальной пружины. Кроме того, пружина не дает возможности клапану отрываться от коромысла. Пружина имеет переменный шаг витков, что необходимо для устранения ее вибрации. Другой вариант борьбы с вибрацией – установка двух пружин меньшей жесткости, имеющих противоположную навивку. Пружина одной стороной упирается в шайбу, расположенную на головке цилиндров, а другой – в упорную тарелку. Упорная тарелка удерживается на стержне клапана при помощи двух конических сухарей, внутренний буртик которых входит в выточку стержня клапана. Для уменьшения проникновения масла по стержням клапанов в камеру сгорания двигателя на стержни клапанов надеты маслоотражательные колпачки.

Фазы газораспределения

В теории открытие и закрытие клапанов должно происходить в моменты прихода поршня в мертвые точки. Однако в связи инерционностью процесса, особенно при больших оборотах коленвала, этого периода времени недостаточно для впуска свежей смеси и выпуска отработанных газов. Поэтому впускной клапан открывается до прихода поршня в в.м.т. в конце такта выпуска, т.е. с опережением в пределах 9-24 градусов поворота коленчатого вала, а закрывается в начале такта сжатия, когда коленвал пройдет положение н.м.т на 51-64 градусов. Таким образом, продолжительность открытия впускного клапана составит 240-270 градусов поворота коленчатого вала, что значительно увеличивает количество поступаемой в цилиндры горючей смеси.

Выпускной клапан открывается за 44-57 градусов до прихода поршня в н.м.т. в конце рабочего хода и закрывается после прихода поршня в в.м.т. такта выпуска на 13-27 градусов. Продолжительность открытия выпускного клапана составляет 240-260 градусов поворота коленчатого вала.

В двигателе бывают моменты (в конце такта выпуска и начале такта впуска) когда оба клапаны открыты. В это время происходит продувка цилиндров свежим зарядом горючей смеси для лучшей их очистки от продуктов сгорания. Этот период носит название перекрытие клапанов.

Моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженных в градусах поворота коленчатого вала, называются фазами газораспределения.

Основные неисправности газораспределительного механизма

Внешними признаками неисправности ГРМ являются: уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, падение мощности двигателя и металлические стуки.

Уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, а также падение мощности двигателя возможно вследствие плохого прилегания клапанов к седлам. Плохое прилегание клапана к седлу происходит вследствие отложения нагара на клапанах и седлах, образования раковин на рабочих поверхностях, коробления головок клапанов, поломки клапанных пружин, заедания стержня клапана в направляющей втулке, а также отсутствия зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом).

Падение мощности двигателя и резкие металлические стуки могут происходить вследствие неполного открытия клапанов. Эта неисправность возникает из-за большого теплового зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом) или отказа гидрокомпенсаторов.

К неисправностям ГРМ также относят износ шестерен распредвала и коленвала, направляющих втулок клапанов, втулок и осей коромысел, а также увеличенное осевое смещение распредвала.

Глава 1. Двигатель

В двигателях внутреннего сгорания своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов обеспечивается газораспределительным механизмом.

На изучаемых двигателях установлены газораспределительные механизмы с верхним расположением клапанов.

Газораспределительный механизм состоит из распределительных шестерен, распределительного вала, толкателей, штанг, коромысел с деталями крепления, клапанов, пружин г с деталями крепления и направляющих втулок клапанов (рис. 11).

Распределительный вал расположен между правым и левым рядами цилиндров.

При вращении распределительного вала кулачок набегает на толкатель и поднимает его вместе со штангой. Верхний конец штанги надавливает на регулировочный винт во внутреннем плече коромысла, которое, провертываясь на своей оси, наружным плечом нажимает на стержень клапана и открывает отверстие впускного или выпускного канала в головке цилиндров. В рассматриваемых двигателях распределительный вал действует на толкатели правого и левого рядов цилиндров.

Газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов дает возможность улучшить форму камеры сгорания, наполнение цилиндров и условия сгорания рабочей смеси. Лучшая форма камеры сгорания позволяет повысить также степень сжатия, мощности и экономичность двигателя.

Распределительный вал (см. рис. 11) служит для открытия клапанов в определенной последовательности в соответствии с порядком работы двигателя.

Распределительные валы отливают из специального чугуна или отковывают из стали. Устанавливают его в отверстия стенок и ребрах картера. Для этой цели на валу имеются цилиндрические шлифованные опорные шейки. Для уменьшения трения между шейками вала и опорами в отверстия запрессовывают втулки, внутренняя поверхность которых покрыта антифрикционным слоем.

Для предупреждения осевого смещения вала при работе двигателя между шестерней и передней опорной шейкой вала установлен фланец, который закреплен двумя болтами к передней стенке блока цилиндров (рис. 12). Внутри фланца на носке вала установлено распорное кольцо, толщина которого несколько больше толщины фланца, в результате чего достигается небольшое осевое смещение распределительного вала.

В двигателе КамАЗ-740 привод распределительного вала осуществляется от шестерни коленчатого вала через промежуточные шестерни, расположенные на заднем торце блока двигателя. От осевого перемещения вал фиксируется корпусом подшипника задней опоры, который крепится к блоку тремя болтами

В четырехтактных двигателях рабочий процесс происходит за четыре хода поршня или два оборота коленчатого вала, т. е. за это время должны последовательно открыться впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра, а это возможно, если число оборотов распределительного вала будет в 2 раза меньше числа оборотов коленчатого вала, поэтому диаметр шестерни, установленной на распределительном валу, делают в 2 раза большим, чем диаметр шестерни коленчатого вала.

Клапаны в цилиндрах двигателя должны открываться и закрываться в зависимости1 от направления движения и положения поршней в цилиндре. При такте впуска, когда поршень двигается от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан должен быть открыт, а при такте сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска — закрыт. Чтобы обеспечить такую зависимость, на шестернях газораспределительного механизма делают метки: на зубе шестерни коленчатого вала и между двумя зубьями шестерни распределительного вала (рис. 13). При сборке двигателя эти метки должны совпадать. В газораспределительном механизме двигателя КамАЗ-740 шестерни устанавливаются также по меткам (рис. 14).

Толкатели предназначены для передачи усилия от кулачков распределительного вала к штангам.

Толкатели изготовлены в виде-малых цилиндрических стаканов, во внутренней части которых имеются сферические углубления для установки штанги. Изготовлены толкатели из чугуна или стали и размещены в направляющих, выполненных в блоке цилиндров или съемными (КамАЗ-740). При работе двигателя толкатели все время провертываются вокруг своих осей, что необходимо для их равномерного износа. Вращение толкателя достигается за счет выпуклой поверхности его нижней ГОЛОВКИ и скошенной поверхности кулачка распределительного вала.

Штанги передают усилие от толкателей к коромыслам и выполнены в виде стальных стержней с закаленными наконечниками (ЗИЛ-130) или дюралюминиевых трубок с запрессованными с обеих сторон сферическими стальными наконечниками. Наконечники упираются с одной стороны в углубление толкателя, а с другой — в сферическую поверхность болта коромысла.

Коромысла передают усилие от штанги клапану. Изготовляют их из стали в виде двуплечевого рычага, посаженного на ось. В отверстие коромысла для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку. -Полая ось закреплена в стойках на головке цилиндров. От продольного перемещения коромысло удерживается цилиндрической пружиной. На двигателях ЗИЛ-130 и ЗМЗ-53 коромысла не равноплечие. В короткое плечо завернут регулировочный винт с контргайкой, упирающийся в сферическую поверхность наконечника штанги.

Клапаны служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов в зависимости от положения поршней в цилиндре и от порядка работы двигателя.

В изучаемых двигателях впускные и выпускные каналы выполнены в головках цилиндров и заканчиваются вставными гнездами из жаропрочного чугуна.

Клапан (рис. 15) состоит из головки и стержня. Головка имеет узкую, скошенную под углом 45 или 30° кромку (рабочая поверхность), называемую фаской. Фаска клапана должна плотно прилегать к фаске седла, для чего эти поверхности взаимно притирают.

Головки впускных и выпускных клапанов имеют неодинаковый диаметр. Для лучшего наполнения цилиндров свежей горючей смесью диаметр головки впускного клапана делают большим, чем диаметр выпускного. В связи с тем что клапаны во время работы двигателя неодинаково нагреваются (выпускной клапан, омываемый горячими отработавшими газами, нагревается больше), изготавливаются они из разного материала: впускные клапаны — из хромистой, выпускные — из сильхромо-вой жароупорной стали. Для увеличения срока службы выпускных клапанов двигателя ЗИЛ-130 на их рабочую поверхность наплавлен жароупорный сплав, стержни изготовлены пустотелыми и имеют натриевое наполнение, способствующее лучшему отводу тепла от головки клапана к его стержню.

Стержень клапана цилиндрической формы, в верхней части имеет выточку для деталей крепления клапанной пружины. Стержни клапанов помещены в чугунных или металлокерамических направляющих втулках. Втулки запрессовывают в головку цилиндров и стопорят замочными кольцами.

Клапан прижимается к седлу цилиндрической стальной, пружиной, которая имеет переменный шаг витков, что необходимо для устранения ее вибрации. Пружина одной стороной опирается в шайбу, расположенную на головке цилиндров, а другой — в опорную шайбу. Опорная шайба удерживается на стержне клапана двумя коническими сухарями, внутренний буртик которых входит в выточку стержня клапана (см. рис. 15).

Для уменьшения проникновения масла по стержням клапанов в камеру сгорания двигателя в опорных шайбах установлены резиновые кольца или на стержни клапанов надеты резиновые колпачки. Для равномерного нагрева и износа клапана желательно, чтобы при работе двигателя он поворачивался.

В двигателе ЗМЗ-53 вращение клапана достигается установкой между опорной шайбой и сухарями каленой конической втулки, наружный конус которой не полностью совпадает с внутренним конусом упорной шайбы (см. рис. 15). Благодаря такой конструкции между втулкой и опорной шайбой возникает небольшое трение и при сжатии пружины, так как она несколько скручивается, клапан поворачивается.

Клапанная пружина упирается в опорную шайбу. Когда клапан закрыт и давление клапанной пружины невелико, дисковая пружина выгнута наружным краем вверх, а внутренним упирается в заплечик корпуса.

При этом шарики при помощи пружин отжаты в канавках в крайнее положение.

При открытии клапана давление клапанной пружины возрастает, выпрямляя через опорную шайбу дисковую пружину. При этом внутренний край пружины отходит от заплечика корпуса и пружина клапана, опираясь на шарики, передает на них все давление, вследствие чего шарики перемещаются в углубление канавок корпуса, вызывая поворот дисковой пружины и вместе с ней опорной шайбы клапанной пружины и клапана. Когда клапан закрывается, все детали возвращаются в исходное положение.

В двигателе КамАЗ-740 клапан поворачивается за счет вибрации двух пружин с разным направлением навивки.

На работающем двигателе ЗМЗ-53 вследствие неодинакового нагреаа различных деталей зазор может несколько изменяться против установленного. Поэтому допускается для впускных клапанов 1 и 8-го цилиндров и выпускных 4 и 5-го цилиндров устанавливать зазор 0,15. 0,20 мм.

Для получения наибольшей мощности необходимо как можно лучше заполнять цилиндры горючей смесью и очищать их от продуктов сгорания. С этой целью впускной клапан открывается до прихода поршня в в. м. т. в конце такта выпуска, т. е. с опережением в пределах 10 . 31° поворота коленчатого вала, а закрывается после поршня в н. м. т. в начале такта сжатия, т. е. с запаздыванием в 46 . 83°.

Продолжительность открытия впускного клапана составляет 236 . 294° поворота коленчатого вала, что значительно увеличивает количество поступаемой в цилиндры горючей смеси или воздуха. Поступление смеси или воздуха до прихода поршня в в. м. т. в конце такта выпуска и после н. м. т. начала такта сжатия происходит за счет инерционного напора во впускном трубопроводе из-за часто повторяющихся тактов в цилиндрах.

Выпускной клапан открывается за 50 . 67° до прихода поршня в н. м. т. в конце такта горение — расширение и закрывается после прихода поршня в в. м. т. такта выпуска на 10 . 47°. Продолжительность открытия выпускного клапана составляет 240 . 294° поворота коленчатого вала. Выпускной клапан открывается раньше, так как давление в конце такта расширения невелико и оно используется для очистки цилиндров от продуктов сгорания.

После прохождения поршнем в. м. т. отработавшие газы будут продолжать выходить по инерции.

Моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженные в градусах поворота коленчатого вала, называются фазами газораспределения.

На рис. 17 приведены диаграммы фаз газораспределения,1 из которых видно, что в двигателе бывают моменты (в конце такта выпуска и начале такта впуска), когда оба клапана открыты. В это время происходит продувка цилиндров свежим зарядом горючей смеси или воздуха для лучшей очистки их от продуктов сгорания. Этот период носит название — перекрытие клапанов.

Рабочий цикл восьмицилиндровых четырехтактных двигателей. Для плавной работы многоцилиндрового двигателя и уменьшения неравномерных нагрузок на коленчатый вал рабочие процессы в различных цилиндрах должны происходить в определенной последовательности. Последовательность чередования одноименных тактов в различных цилиндрах двигателя называется порядком работы.

Порядок работы цилиндров двигателя зависит от расположения шеек коленчатого вала и кулачков распределительного вала.

Восьмицилиндровые V-образныё двигатели имеют порядок работы цилиндров 1—5—4—2—6—3—7—8. В двигателе шатунные шейки коленчатого вала расположены под углом 90° (рис. 18). В этом случае одноименные такты будут перекрываться в двух цилиндрах на 90° или на половину хода поршня. —

За первые пол-оборота рабочий такт будет заканчиваться в восьмом цилиндре, полностью пройдет в первом и начнется в пятом цилиндре; за вторые пол-оборота — закончится в пятом, полностью пройдет в четвертом и начнется во втором цилиндре, за третьи пол-оборота — закончится во втором, полностью пройдет в шестом и начнется в третьем цилиндре, за четвертые пол-оборота — закончится в третьем, полностью пройдет в седьмом и начнется в восьмом. В результате такого большого перекрытия рабочих тактов в разных цилиндрах восьмицилиндровые V-образные двигатели работают очень плавно.

Водитель должен знать порядок работы цилиндров для правильного присоединения проводов к свечам зажигания (ЗИЛ-130, ЗМЗ-53) или трубопроводов высокого давления (КамАЗ).

Механизм газораспределения

Механизм газораспределения служит для управления процессами впуска воздуха в цилиндр и выпуска отработавших газов. Состоит из впускных и выпускных органов газораспределения и их приводов.

В четырехтактном двигателе выпускной клапан открывается с опережением до прихода поршня в НМТ. Это необходимо, чтобы с целью улучшения очистки цилиндра начать ее раньше, используя перепад давления между цилиндром и выпускным трубопроводом, и обеспечить полное открытие клапана к моменту начала хода выталкивания газов поршнем (в НМТ). Закрывается клапан с запаздыванием, чтобы создать продувку цилиндра поступающим в него воздухом (фаза перекрытия клапанов называется продувкой).

Опережение открытия впускного клапана служит целям обеспечения продувки и полного открытия в ВМТ (свести к минимуму дросселирование воздуха под клапаном). Запаздывание закрытия впускного клапана служит цели улучшения наполнения цилиндра воздухом путем использования эффекта инерции движения массы воздуха во впускной, системе.

В четырехтактных дизелях применяют клапанное газораспределение (рис. 11.1а). Органами газораспределения являются впускные и выпускные клапаны 10 с клапанными пружинами 9, а привод включает в себя клапанные рычаги 8, сидящие на осях 6 кронштейнов 7, штанги 4, толкатель 5 с роликами 2, кулачковые шайбы 1 распределительного вала и привод от коленчатого вала к распределительному. Для обеспечения плотной посадки клапана на седло в приводе клапана предусматривают зазор В (во время работы дизеля вследствие нагревания шток клапана удлиняется и зазор должен исчезать). Если зазор выбран неправильно, то клапан будет находиться в приоткрытом положении и будет пропуск газов под клапаном, если зазор велик — клапан будет открываться с опозданием. Чтобы избежать отмеченных явлений, предусматривается возможность его регулирования с помощью болта с контргайкой 5. Обычно рекомендуемая величина зазора приводится в инструкции по двигателю.

При набегании выступа кулачковой шайбы 1 на ролик 2 толкателя 3 штанга 4 перемещается вверх и поворачивает клапанный рычаг 8 относительно оси 6. При этом правый конец рычага нажимает на шток клапана 10 и открывает его, сжимая пружину 9. При выходе выступа шайбы из-под ролика толкателя силой упругости пружины клапан закрывается. Необходимые фазы газораспределения (моменты начала открытия и конца закрытия клапанов) и законы движения клапанов определяются профилем кулачковых шайб, углом их заклинки, кинематической схемой клапанного привода и тепловым зазором.

Вертикальное расположение клапанов в цилиндровой крышке обеспечивает наименьший износ их штоков и направляющих втулок, а открытие внутрь цилиндра способствует плотному прилеганию к седлам за счет давления газов. При малых давлениях в цилиндре плотность закрытия клапана зависит от натяжения пружины.

Для уменьшения сил инерции клапанного привода в ВОД часто устанавливают два распределительных вала (для впускных и выпускных клапанов) над цилиндровыми крышками, и кулачные шайбы воздействуют непосредственно на штоки клапанов. Однако при этом усложняется передача от коленчатого вала к распределительным валам и загромождаются цилиндровые крышки.

В двухтактных дизелях с прямоточно-клапанной продувкой применяют клапанно-щелевое газораспределение. Для впуска воздуха в цилиндр служат продувочные окна во втулке, которые открываются и закрываются поршнем, а клапанный механизм управляет выпуском газов.

В двухтактных двигателях старых моделей, так же как и в 4-тактных ДВС, клапан приводится в действие от кулачной шайбы через толкатель, штангу и клапанный рычаг. В новых конструкциях применен гидравлический привод.

В двухтактных дизелях с контурной и прямоточно-щелевой продувками применяют щелевое (бесклапанное) газораспределение. Органами газораспределения являются продувочные и выпускные окна во втулке и поршень, выполняющий функции золотника. У некоторых дизелей ранней постройки продувочные окна перекрыты автоматическими пластинчатыми продувочными клапанами, а выпускные окна -вращающимися заслонками (дизели «Зульцер» типа RD).

Условия работы клапанного механизма

Механические нагрузки вызываются силами давления газов Рг на тарелку клапана 11 (см. рис. 11.1а), силами инерции движущихся частей Рj, упругости клапанных пружин (10) Рn и усилием со стороны толкателя-штанги (3) Рm , являющимся нормальной составляющей от силы давления кулака (1) на толкатель.

В момент начала открытия клапана его скорость возрастает от нуля до максимума. Силы инерции клапанного механизма направлены в сторону, противоположную движению толкателя (к распределительному валу), и будут прижимать ролик толкателя (2) к кулачной шайбе (1). К моменту полного открытия клапана его скорость уменьшается от максимума до нуля, силы инерции имеют противоположное направление (от распределительного вала) и стремятся оторвать ролик толкателя от кулачной шайбы, но этому препятствуют клапанные пружины. В период закрытия клапана действия сил инерции и клапанных пружин будут аналогичными. Отрыв ролика толкателя от кулачной шайбы приводит к повреждению их рабочих поверхностей, ударам в клапанном механизме, разбиванию фасок клапана и седла, нарушению фаз газораспределения. Поэтому сила упругости пружин должна быть всегда больше сил инерции клапанного механизма.

Механизм газораспределения

Клапанные пружины испытывают знакопеременную нагрузку, и их материал работает на усталость. Во время работы пружины ее температура возрастает на 40-50°С, а при совпадении частоты собственных колебаний с частотой возмущающей силы может возникать резонанс, приводящий к ее поломке. Клапанные пружины выполняют с разным направлением витков для предотвращения попадания витков одной пружины между витками другой в случае поломки одной из них.

Установка нескольких пружин на один клапан (две, три или четыре) позволяет устранить их резонанс; каждая пружина имеет свой период колебаний и при попадании в резонанс одной из них другие являются гасителями колебаний. При установке нескольких пружин одновременно уменьшаются их размеры, снижаются напряжения в витках, повышается частота собственных колебаний и устойчивость пружин во время работы, повышается надежность работы клапана.

Для уменьшения амплитуды собственных колебаний пружин применяют неравномерный шаг навивки, демпферы колебаний в виде пластинчатых пружин, конические пружины.

Концевые (опорные) витки пружины для образования кольцевой опорной поверхности сближают до соприкосновения и сошлифовывают по плоскости, перпендикулярной к оси пружины.

Клапанные рычаги 8 (см. рис. 11.1а) для обеспечения необходимой жесткости и прочности при возможно меньшей массе изготавливают ковкой или штамповкой и придают им тавровую или двутавровую форму, а штанги 4 выполняют в виде стальных труб с наконечниками различной конструкции.

Высокие термические нагрузки газораспределительных клапанов обусловлены и соприкосновением с горячими газами. Наиболее напряженным является выхлопной клапан. Он воспринимает теплоту через плоскость тарелки от газов в цилиндре (около 80%) и через поверхность перехода от тарелки к штоку от выпускных газов (15%).

Теплота отводится двумя путями: от тарелки 1 (рис. 11.16) к седлу 2 и далее в охлаждающую воду; через шток к направляющей 5 и далее в массу металла и в охлаждающую воду.

Температура тарелки впускного клапана может достигать 300-400°С, а выпускного — 550-800°С. У впускных клапанов температура более низкая, так как они охлаждаются воздухом во время процесса наполнения; тарелка же выпускного клапана в период выпуска омывается горячими газами. Высокие температуры ухудшают механические свойства материала, вызывают высокотемпературную коррозию, эрозию, коробление и неплотное прилегание клапана к седлу, увеличивают опасность заедания штока клапана в направляющей, а иногда приводят к прогоранию тарелки.

К конструкции деталей механизма газораспределения предъявляются следующие основные требования:

  • газораспределительные клапаны должны иметь возможно большие проходные сечения (для улучшения очистки цилиндра от газов и наполнения его воздухом), меньшие температуры и массу (для уменьшения сил инерции);
  • материал клапанов должен быть жароупорным, износостойким, вязким и не должен закаливаться на воздухе (для предотвращения образования закалочных трещин);
  • клапанные пружины должны быть достаточно упругими и иметь высокую усталостную прочность;
  • клапанные рычаги, штанги и толкатели должны быть жесткими, прочными при возможно меньшей массе (для уменьшения сил инерции).
  • впускных клапанов — легированная или углеродистая сталь;
  • выпускных клапанов — высоколегированная сталь.

В форсированных дизелях для повышения износостойкости и коррозионной стойкости фаску тарелки клапана (иногда и седла) покрывают стеллитом или изготавливают выхлопные клапаны из нихрома, а шток клапана азотируют; седла клапанов — легированная или углеродистая сталь или сверхпрочный чугун;

  • пружины — высокоуглеродистые стали;
  • распределительные валы — легированная или углеродистая сталь;
  • кулачные шайбы — легированные стали.

Для повышения поверхностной твердости шайбы цементируют и закаливают.

Клапаны устанавливают непосредственно в крышку цилиндра, что дает возможность увеличить проходные сечения для воздуха и газов, но при этом необходим демонтаж крышки для осмотра и притирки клапанов. В четырехтактных дизелях выпуск газов всегда обеспечивается выталкивающим ходом поршня. Поэтому для улучшения наполнения цилиндра воздухом диаметр впускного клапана иногда увеличивают (приблизительно на 20%) за счет уменьшения диаметра выпускного.

В четырехтактных дизелях обычно применяют два или четыре газораспределительных клапана, а в двухтактных МОД — один клапан. Увеличение числа клапанов усложняет конструкцию цилиндровой крышки, но снижает их механическую и тепловую напряженность за счет уменьшения диаметра и массы.

Клапан без корпуса (см. рис. 11.1а) состоит из штока 10 и тарелки, имеющей коническую рабочую фаску. Чаще всего применяют клапаны с углом фаски 45°, обеспечивающим большую жесткость клапана и плотную его посадку на седло, лучшую самоцентровку во время работы и при притирке, лучший отвод теплоты от тарелки, а также наиболее выгодную форму газового потока при полном открытии клапана.

Фаска тарелки прижимается к седлу, протачиваемому в крышке цилиндра (см. рис. 11.1а), или к съемному седлу 2 (см. рис. 11.16), зафиксированному в крышке пружинящим кольцом 3 или другими способами (запрессовка, развальцовка, зачеканка). Фаску и седло тщательно притирают. Шток клапана перемещается в направляющей втулке 5. Клапан прижимается к седлу пружинами 9, упирающимися в нижнюю и верхнюю 7 и 11 тарелки. Верхняя тарелка крепится коническими полукольцами («сухарями») на конической шейке штока клапана (применяют и другие способы крепления верхней тарелки). Для предотвращения разбивания торца штока в него вставляют закаленный сухарь или устанавливают на него колпачок.

В современных двигателях стали применять седла, рабочей поверхности которых придана W-образная форма с карманом 1, в котором аккумулируется воздух, препятствующий протечке горячих газов в зону контакта с тарелкой клапана.

Клапаны с корпусом (см. рис. 11.3) конструктивно сложнее, имеют меньшее проходное сечение, но удобнее в эксплуатации, так как можно производить их осмотр, притирку и замену без демонтажа цилиндровой крышки.

Из-за наличия теплового зазора в приводе клапана его движение начинается и заканчивается ударом, вызывающим дополнительные напряжения в седле и тарелке, пружине и на поверхностях контакта клапанного механизма. Для обеспечения безударной работы и снижения шума в МОД с прямоточно-клапанной продувкой применяют гидравлический привод клапанов. Гидравлический привод способствует также уменьшению массы движущихся частей и сил инерции клапанного привода, повышению надежности работы.

Выпускной клапан с гидравлическим приводом

В рассматриваемой конструкции (рис. 11.3) механический привод клапана заменен на гидравлический. С этой целью на шток клапана надет поршень 6, на который давит масло, поступающее по каналу 7 от гидравлического поршневого усилителя, привод которого осуществляется от установленного на распределительном валу кулачка. Клапанные пружины в новой конструкции устранены, и их функцию выполняет «воздушная пружина» с поршнем 5. При снижении давления масла в приводе клапана его возврат на седло осуществляется воздушной пружиной, в которой сжатый воздух снизу давит на поршень 5 и клапан поднимается и мягко садится на седло, что существенно уменьшает наклеп посадочных поверхностей.

Снижение тепловой напряженности клапанов достигают интенсивным охлаждением цилиндровой крышки в районе седла и непосредственно седла.

В современных мощных МОД и СОД часто предусматривают автоматический поворот клапанов относительно оси во время работы дизеля. Вращение клапанов обеспечивает более равномерное распределение температур в тарелке и меньшую ее деформацию, равномерный износ тарелки и седла и их некоторую самопритирку. Наиболее просто это достигается установкой специальных лопаток на нижней части штока 3, которые под действием газового потока поворачиваются совместно с клапаном.

Влияние проворачивания клапана на температуры тарелки

В ряде случаев для принудительного поворота клапанов применяют специальное устройство («ротокап»). Проворачивание клапанов во время работы обеспечивает более равномерное распределение температур тарелки и увеличение ее ресурса (рис. 11.4).

Кулачные шайбы, находящиеся на распределительном валу, служат для управления открытием и закрытием газораспределительных клапанов, а также для привода топливных насосов высокого давления, топливоподкачивающего насоса, воздухораспределителя пусковой системы.

Распределительный вал изготавливают цельным или составным (для упрощения изготовления и монтажа) и устанавливают на разъемных подшипниках. Для предотвращения осевого перемещения вал обычно фиксируют в опорно-упорном подшипнике.

Кулачные шайбы в ВОД обычно отковывают заодно с распределительным валом, а в СОД и МОД выполняют съемными (неразъемными или разъемными). Съемные шайбы 1 (рис. 11.5а) привода газораспределительных клапанов обычно изготавливают неразъемными и крепят на валу шпонками 2 или на гидропрессовой посадке, а шайбы привода ТНВД — чаще всего разъемными и крепят различными способами, позволяющими изменять их угол заклинки относительно распределительного вала.

Кулачная шайба ТНВД дизеля «Бурмейстер и Вайн» имеет симметричный профиль (рис. 11.5б) и состоит из двух половин. Одна из них имеет пазы, в которые входят выступы другой половины, что дает возможность регулировать опережение подачи топлива независимо на передний и задний ход.

На распределительном валу 2 на шпонке 3 установлена втулка 4, имеющая кольцевой паз с внутренним конусом, к которому при помощи болтов прижимается кулачная шайба 5. В последних моделях дизелей применяют составную шайбу с отрицательным профилем (рис. 11.6г).

Кулачные шайбы дизелей

У дизелей МАН кулачная шайба (рис.11.5в) имеет несимметричный профиль и состоит из двух половин: затылочной 1, сидящей на валу 3 на шпонке 2, и профильной кулачковой шайбы 5, которую можно поворачивать на некоторый угол при помощи болтов 4.

У дизелей «Зульцер» шайба 2 (рис. 11.5д) имеет симметричный профиль и также состоит из двух половин. Шайба свободно сидит на втулке 1, зафиксированной на распределительном валу 5 шпонкой 4 и штифтом 6. Втулка имеет на конце резьбу, на которую навертывается гайка 3; торцовые поверхности гайки, фланца втулки и шайбы конусные.

В четырехтактных реверсивных дизелях устанавливают два комплекта кулачных шайб — один для переднего, другой для заднего хода, а в двухтактных дизелях с прямоточно-клапанной продувкой — один (если реверсирование осуществляется разворотом распределительного вала на определенный угол) или два комплекта (если реверсирование осуществляется осевым сдвигом распределительного вала).

Привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала.

Конструкция привода зависит от расположения распределительного вала: при верхнем расположении (над цилиндровыми крышками), характерном для ВОД, применяют валиковый привод с коническими или винтовыми шестернями; при нижнем и среднем — шестеренный привод.

Для уменьшения размеров шестерен приводы изготавливают с промежуточными шестернями (рис. 11.6а). Промежуточная шестерня 3 находится в зацеплении с ведущей шестерней 4 коленчатого вала и с ведомой шестерней 2 распределительного вала.

Так как у четырехтактного дизеля частота вращения распределительного вала должна быть в два раза меньше частоты вращения коленчатого вала, то шестерня 2 имеет вдвое больший диаметр, чем шестерня 4 (промежуточная шестерня 3 на передаточное число влияния не оказывает). От шестерни 2 приводится также вал регулятора частоты вращения 1.

Цепной привод распределительного вала 2-тактного двигателя

Цепной привод (рис. 11.66) используют при большом расстоянии между осями коленчатого и распределительного валов, когда шестеренный привод получился бы громоздким и дорогим.

Гидравлический натяжитель цепного привода

Ведущая звездочка 7 коленчатого вала соединяется со звездочкой 1 распределительного вала тремя одинарными цепями 6. Звездочка 5 является направляющей и используется для привода воздухораспределителя, лубрикаторов и регулятора частоты вращения. Звездочка 2, закрепленная в кронштейне 3, служит для натяжения цепи. Натяжение осуществляется поворотом кронштейна 3 вокруг оси 9 против часовой стрелки. Тяга 4, нагруженная мощной пружиной, передает усилие на кронштейн 3. Цепи движутся по стальным направляющим рельсам 8, облицованным резиной, что предотвращает поперечные колебания цепей. Оси всех звездочек и цепи смазываются маслом.

В новых конструкциях МОД используются гидравлические натяжители цепей (см. рис. 11.7). Смазка цепей осуществляется маслом, подаваемым на них посредством сопел.

В механизме газораспределения наиболее уязвимым элементом являются впускные и выпускные клапаны, испытывающие высокие механические и тепловые нагрузки. Наибольшую опасность представляют тепловые нагрузки, определяемые условиями работы клапанов в зоне высоких температур омывающих их газов. Наибольшие температуры имеют выхлопные клапаны. Чтобы поднять работоспособность клапанов, двигателестроители стремятся не выходить за пределы 500-520°С.

  • При превышении температур сверх 650°С Материал клапанов теряет свои прочностные свойства, одновременно создаются неблагоприятные условия для возникновения высокотемпературной коррозии.
  • Часто повторяющиеся смены температур от высоких до низких провоцируют возникновение термоусталостных трещин в зонах перехода тарелки клапана в шток или в районе проточек под сухарики.
  • Появление на теле клапана глубоко проникающего окисления и окалинообразования; цвета побежалости на штоке клапана свидетельствуют о высокотемпературном окислении в связи с нагревом штока в его направляющей втулке.
  • При превышении температур сверх предела ползучести тарелка клапана деформируется и приобретает форму чаши. При небольших деформациях нарушается плотность посадки, а при более серьезных не исключена поломка тарелки.
  • Поломки тарелок возможны также при нарушении фаз газораспределения и ударе клапана по поршню. Более серьезные повреждения происходят при разносе двигателя, сухарики выскакивают из тарелки клапана, клапан проваливается вниз и попадает под поршень. Клапаном пробивается огневое днище крышки цилиндра, вода проникает в камеру сгорания, происходит гидравлический удар в цилиндре, сопровождающийся изгибом шатуна и прочими повреждениями.

Потеря плотности клапанов происходит по ряду причин, к числу которых относятся:

  • эрозионное изнашивание посадочного конуса тарелки клапана и его седла, отсутствие вращения;
  • отложения кокса и золы на тарелке;
  • деформация клапана;
  • нарушение центровки оси клапана в направляющей;
  • прогорание посадочной поверхности вследствие высокотемпературной коррозии, вызванной наличием в топливе ванадия и натрия;
  • низкотемпературная коррозия, вызванная высоким содержанием в топливе серы и низкими температурами клапана (впускные клапаны).

Низкотемпературной коррозии в основном подвергаются впускные клапаны, имеющие более низкую температуру, и поэтому на них, особенно в зоне штоков, конденсируются пары воды и серной кислоты, образующейся при сгорании сернистого топлива. Характерные признаки: наличие питтинговых язвин на штоках и рабочих конусах седел и клапанов, шероховатость и потемнение поверхностей.

1. Рекомендуется по возможности избегать использования в двигателях топлив с высоким содержанием ванадия (желательно, чтобы его содержание не превышало значений 100. 150 ppm).

2. Следует избегать обводнения топлива морской водой, при случайном попадании воды — осуществлять активную сепарацию с промывкой топлива горячей пресной водой, подаваемой в струю топлива перед сепаратором. Вода, смешиваясь с топливом, растворяет находящиеся в нем соединения натрия и в ходе сепарации удаляется вместе с ними. Уменьшение содержания Na2SO4 в смеси с V2O5, способствует росту температуры плавления, препятствует прилипанию к телу клапана, а значит -уменьшает вероятность развития коррозии последнего.

3. Необходимо принимать меры, направленные на снижение температуры выхлопных клапанов (последняя не должна превышать 530°С, желательный уровень — не выше 450°). Во многом принятие этих мер является предметом забот конструктора двигателя. Однако и судовой механик, вынужденный пользоваться топливом с высоким содержанием ванадия, может отчасти исправить положение, понизив температуру клапанов за счет уменьшения нагрузки двигателя.

Важно отметить, что применение стеллитовой наплавки, изготовление тарелки или всего клапана из нимоника, использование устройств ротокап (механизма проворачивания клапана) повышают ресурс клапанов, но в целом обозначенную здесь проблему они не решают.

4. При использовании топлив с высоким содержанием ванадия полезно вводить в них присадки, в состав которых входит Mg (Ameroid Mark-4, Vecom Fot-SA др.). При сгорании топлива магний окисляется с образованием MgO, температура плавления которого составляет 2800°С. Продукты его взаимодействия с окислами ванадия уже имеют температуру плавления 800-900°С, что значительно превышает температуры клапанов и тем самым исключает опасность прилипания и осаждения агрессивных соединений на клапанах, лопатках турбин и утилизационных котлах. В итоге соединения ванадия в сухом виде уходят из дизеля вместе с продуктами сгорания. Опыт показывает, что эти присадки оказываются довольно эффективными в борьбе с высокотемпературной коррозией и продлением ресурса выхлопных клапанов.

Литература

Судовые двигатели внутреннего сгорания — Возницкий И.В. Пунда А.С. [2010]

  • Системы продувки двухтактных двигателей
  • Рабочие циклы двухтактных двигателей
  • Рабочие циклы четырёхтактных двигателей
  • Основные данные двигателей: рабочий объем цилиндра
  • Классификация и маркировка двигателей

Что заставляет клапан плотно прилегать к седлу?

Клапан прилегает плотно к седлу благодаря давлению, создаваемому рабочей средой (например, газом или жидкостью), которая протекает через клапан. Когда клапан закрывается, давление среды заставляет его прижиматься к седлу, обеспечивая герметичность и предотвращая протекание среды через зазор между клапаном и седлом. Кроме того, в некоторых случаях используются уплотнительные кольца или прокладки, чтобы обеспечить еще более плотное прилегание клапана к седлу.

Напишите ответ и заработайте

Вы должны войти или зарегистрироваться, чтобы добавить ответ.

Стоит ли промывать форсунки на бензиновом двигателе?

Спрашивает Вероника

Промывка форсунок на бензиновом двигателе может быть полезной процедурой, если у вас есть проблемы с работой двигателя или если вы заметили ухудшение экономичности топлива. Промывка форсунок может помочь удалить накопившиеся отложения и загрязнения, которые могут привести к неправильному распылению . Читать далее

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *