![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
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 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).
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.
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.
|