ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для осуществления в определенной последовательности выпуска продуктов сгорания и впуска свежего заряда. Газораспределительный механизм состоит из впускных и выпускных органов и деталей, передающих к ним движение от коленчатого вала.

Классификация и конструктивный обзор газораспределительных механизмов

В зависимости от конструкции органов и приводов газораспределительные механизмы классифицируются согласно схеме, изображенной на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема классификации газораспределительных механизмов

Бесклапанные ГРМ могут быть: золотниковыми и гильзовыми. На рис. 2.2 приведена схема гильзового ГРМ, предложенная Чарльзом Найтом в 1907 г.

Рис. 2.2. Схема гильзового ГРМ Чарльза Найта:

1 – коленчатый вал, 2 – гильзы, 3 – шатуны привода гильз, 4 – распредвал

Золотниковые механизмы газораспределения, несмотря на ряд преимуществ – возможность обеспечения больших проходных сечений впускных и выпускных отверстий, лучшие условия охлаждения и возможность в связи с этим некоторого повышения степени сжатия в бензиновых двигателях, бесшумность работы, не получили распространения из-за конструктивной сложности и дороговизны изготовления и ремонта в четырехтактных ДВС. Поэтому золотниковые механизмы газораспределения рассматриваться не будут.

В двухтактных ДВС часто в качестве золотника используется поршень. Такое газораспределение может быть названо золотниковым, хотя собственно механизм газораспределения в случае щелевой продувки отсутствует и его заменяет кривошипно-шатунный механизм.

В четырехтактных автотракторных двигателях широкое распространение получили клапанные механизмы газораспределения.

В некоторых двигателях с целью обеспечения надежной работы на высоких оборотах применяются беспружинные механизмы газораспределения с принудительным открытием и закрытием клапанов, или так называемые десмодромные механизмы (рис. 2.3). Принудительное открытие и закрытие клапанов осуществляется от самостоятельных кулачков или электромагнитами с очень большими ускорениями, что позволяет значительно увеличить коэффициент наполнения двигателя.

Рис. 2.3. Десмодромный газораспределительный механизм

Наиболее широкое распространение в автотракторных двигателях получили пружинные клапанные механизмы газораспределения, конструктивный обзор которых, в зависимости от расположения клапанов, положения и привода распределительного вала, рассматривается ниже.

Расположение клапанов

В дизелях возможно только верхнее расположение клапанов, так как относительно малый объем камеры сгорания, получающийся при высоких значениях степени сжатия, не позволяет разместить клапаны сбоку цилиндра. В бензиновых двигателях возможно как верхнее, так и нижнее расположение клапанов.

При верхнем расположении клапанов камера сгорания получается более компактной, с относительно малой поверхностью охлаждения, вследствие чего уменьшаются потери в систему охлаждения и увеличивается индикаторный КПД двигателя.

Компактность камеры сгорания уменьшает опасность детонации и позволяет при том же октановом числе бензина увеличить степень сжатия примерно на пол-единицы по сравнению с двигателями, имеющими нижние клапаны, что также оказывает положительное влияние на увеличение индикаторного КПД. Все это вместе взятое, а также применение высокооктанового бензина позволяет в настоящее время достигнуть высокой топливной экономичности автомобильных бензиновых двигателей, приближающейся к экономичности дизелей с разделенными камерами сгорания.

Простая форма впускного канала с малым гидравлическим сопротивлением, а также возможность увеличения площади проходного сечения клапанов за счет увеличения числа клапанов или расположения их под углом к оси цилиндра повышают коэффициент наполнения на 5–7%, что создает более широкие возможности для форсирования двигателя по числу оборотов.

К недостаткам верхнего расположения клапанов следует отнести усложнение механизма газораспределения при нижнем расположении распределительного вала или усложнение привода к нему при верхнем расположении последнего, а также увеличение высоты головки цилиндра, что при вертикальном расположении цилиндров приводит к увеличению высоты, а при горизонтальном – ширины двигателя. В короткоходных двигателях последний недостаток сказывается меньше вследствие небольшой высоты блока и картера.

При нижнем расположении клапанов высота головки цилиндров и двигателя в целом уменьшается, а механизм газораспределения и привод к распределительному валу упрощаются. Однако из-за менее компактной формы камеры сгорания экономические показатели таких двигателей ниже, а невозможность обеспечить высокие значения коэффициента наполнения при высоком числе оборотов ограничивает степень форсирования. Ограничивается также возможность увеличения степени сжатия: при степени сжатия более 7.5 уже возникают трудности в компоновке камеры сгорания.

Нижнее расположение клапанов применяется в настоящее время редко в двигателях со сравнительно низкой степенью сжатия и небольшим числом оборотов, для которых основным требованием является простота конструкции, технологии изготовления и ремонта.

Нижние клапаны (рис. 2.4) размещаются с одной стороны блока цилиндров в один ряд и приводятся в действие через толкатели от общего для всех клапанов блока распределительного вала.

Рис. 2.4. Нижнее расположение клапанов (SV)

Чередование впускных и выпускных клапанов может быть принято различным. Попарное расположение одноименных клапанов дает возможность уменьшить число каналов в блоке и упростить трубопроводы, но при таком расположении увеличивается неравномерность износа цилиндра по окружности из-за термических деформаций. Поэтому в настоящее время применяют смешанное чередование клапанов, при котором рядом могут располагаться как одноименные, так и разноименные клапаны соседних цилиндров (рис. 2.5).

Если рядом расположены впускные клапаны соседних цилиндров, то их каналы могут быть объединены; каналы выпускных клапанов делаются индивидуальными, чтобы обеспечить лучшее охлаждение клапанов.

Рис. 2.5. Смешанное чередование клапанов

Верхние клапаны могут иметь различное расположение, выбор которого связан с формой камеры сгорания и конструкцией механизма газораспределения. Два клапана в цилиндре могут быть расположены в один ряд вдоль оси блока или в два ряда. При расположении в один ряд клапаны (рис. 2.6) обычно чередуются так же, как и клапаны при нижнем расположении. В бензиновых двигателях оба трубопровода, как правило, размещаются с одной стороны головки, что обеспечивает подогрев впускного трубопровода и более интенсивное испарение топлива.

Рис. 2.6. Расположение двух верхних клапанов в один ряд

В дизелях трубопроводы часто располагаются по обе стороны головки, при этом уменьшается подогрев воздуха, что повышает коэффициент наполнения. Привод клапанов может быть осуществлен или непосредственно от верхнего распределительного вала, расположенного над ними (рис. 2.7), или от нижнего вала, размещенного в блоке или в верхней половине картера через толкатели, штанги и коромысла (рис. 2.8). Последний вариант находит широкое применение в двухрядных V-образных двигателях, в которых от одного распределительного вала, расположенного в развале блоков, приводятся в движение клапаны всех цилиндров.

При расположении в два ряда впускные и выпускные клапаны размещаются в различных рядах. Соответствующие коллекторы располагаются с разных сторон головки (рис. 2.9).

Рис. 2.7. Верхнее расположение клапанов, верхнее положение распредвала (OHС) Рис. 2.8. Верхнее расположение клапанов, нижнее положение распредвала (OHV)

В двигателях с воздушным охлаждением при таком расположении клапанов имеются большие возможности для оребрения выпускных патрубков. Однако расположение клапанов в два ряда затрудняет размещение форсунки в цилиндре и доступ к ней, в связи с чем в дизелях с жидкостным охлаждением такое расположение, как правило, не применяется. Привод к клапанам при двухрядном их расположении усложняется. Для непосредственного привода требуются два верхних вала на блок, помещаемых над клапанами (рис. 2.10). При одном верхнем вале нужна система рычагов (рис. 2.11). В случае нижнего расположения вала приходится применять систему рычагов (рис. 2.12) или приводить каждый из рядов клапанов от отдельных валов, располагая их по обе стороны блока.

Рис. 2.9. Расположение двух верхних клапанов в два ряда

Рис. 2.10. Верхнее расположение клапанов, верхнее положение 2 распредвалов (2ОHC)

Рис. 2.11. Верхнее расположение клапанов, верхнее положение распредвала (OHC)

Рис. 2.12. Верхнее расположение клапанов, нижнее положение распредвала (OHV)

Четыре клапана в цилиндре устанавливают для увеличения площади их проходных сечений и уменьшения размеров клапанов. Последнее обстоятельство способствует увеличению их жесткости и обеспечивает лучшее охлаждение. В дизелях причетырех клапанах форсунка может быть расположена по оси цилиндра, что при неразделенной камере сгорания имеет большое значение для равномерного распределения топлива по ее объему. Одноименные клапаны могут располагаться в двух рядах (рис. 2.13)или в отдельных рядах (рис. 2.14).

Рис. 2.13. Расположение одноименных клапанов в двух рядах

Рис. 2.14. Расположение одноименных клапанов в отдельных рядах

В первом случае имеется возможность уменьшить число каналов в головке блока и расположить оба трубопровода с одной стороны, что в ряде случаев оказывается удобным для V-образных и горизонтальных двигателей. Однако при этом стержень выпускного клапана, расположенного со стороны трубопровода, обтекается также отработавшими газами соседнего клапана, что увеличивает его тепловую напряженность. Вследствие этого чаще применяется расположение одноименных клапанов в отдельных рядах.

Кроме непосредственного привода от двух верхних валов (рис. 2.15),при первом расположении клапанов привод их может осуществляться от одного верхнего вала с помощью поперечных траверс (рис. 2.16),обеспечивающих одновременное открытие обоих одноименных клапанов. При размещении одноименных клапанов в одном ряду привод осуществляется с помощью продольных траверс (рис. 2.17) или трехплечных рычагов.

Рис. 2.15. Открытие клапанов с помощью двух распредвалов

При установке трех клапанов в цилиндре – одного большого и двух меньшего размера (рис. 2.18) – может быть увеличена относительная площадь клапанов даже по сравнению с четырьмя клапанами. Выпускным может быть большой клапан (рис. 2.18а) или два меньших (рис. 2.18б). При наличии трех клапанов в головке цилиндра размещение форсунки затруднено.

В первом случае обеспечивается лучшее наполнение цилиндров, во втором – снижение температуры выпускных клапанов.

Рис. 2.16. Открытие клапанов с помощью поперечных траверс

Рис. 2.17. Открытие клапанов с помощью продольных траверс

Иногда применяется смешанное расположение клапанов (рис. 2.19) – один верхний, один нижний. При таком расположении клапанов конструкция механизма газораспределения усложняется, но имеется возможность сильно увеличить проходные сечения клапанов и обеспечить высокое форсирование двигателей по числу оборотов. Смешанное расположение клапанов применяется в высокооборотных двигателях.

а б

Рис. 2.18. Расположение трех клапанов в цилиндре

Для улучшения наполнения цилиндров, снижения температуры выпускных клапанов и уменьшения массы движущихся деталей механизма газораспределения, приходящихся на один клапан, в двигателях большой мощности устанавливают пять клапанов (рис. 2.20) – три впускных и два выпускных. В этом случае открытие клапанов осуществляется двумя верхними распредвалами.