Система привода клапанов газораспределительного механизма
В зависимости от расположения клапанов относительно цилиндров двигатели
делятся на верхнеклапанные (с их расположением в головке цилиндров) и нижнеклапанные. Для отечественных
автомобилей нижнеклапанные двигатели применялись в
моделях 1940-60 гг.
Их основные недостатки: меньший коэффициент наполнения, ограниченная степень сжатия.
У верхнеклапанных автомобильных двигателей с номинальной частотой вращения до 5000-5500 об/мин
распределительный вал устанавливался в блоке цилиндров
(нижнее расположение) или в картере в развале между цилиндрами. Привод клапанов производился толкателями,
штангами и коромыслами.
Недостаток такого привода: повышенная масса поступательно движущихся частей, возникновение колебаний в системе привода.
Все это ограничивало максимально допустимую частоту вращения.
Поэтому распределительные валы современных высокооборотных двигателей легковых автомобилей располагаются
в головках цилиндров. Привод распределительного вала
(или двух, а иногда и четырех валов и пяти) осуществляется шестернями, цепью, зубчатым ремнем.
Привод шестернями
применяется преимущественно в старых моделях двигателей при расположении распределительного вала в блоке
цилиндров или в двигателях с V-образным расположением цилиндров.
Основные недостатки: усложнение
конструкции, увеличение момента инерции, высокий уровень шума, особенно после большого пробега. Для снижения
уровня шума шестерню распределительного вала выполняют из пластмассы. Зацепление делается с косым
зубом и по возможности с малым модулем.
На большинстве автомобильных двигателей используется привод одной или несколькими однорядными
или двухрядными втулочно-роликовыми цепями или зубчатыми ремнями. Привод цепью более надежный,
хотя и несколько более шумный, чем привод зубатым ремнем. Конструкция двигателя с приводом зубчатым
ремнем упрощается, т.к. не требуется смазки и появляется возможность использования его для привода
внешних агрегатов (насоса охлаждающей жидкости, генератора компрессора кондиционера и др.).
Несмотря на использование в зубчатых ремнях синтетических материалов со стекловолоконным или
проволочным кордом, недостатком привода зубчатым ремнем, является необходимость менять ремни через
заданный пробег (обычно 50-100 тыс. км). При износе сальника распределительного вала масло попадает на
зубчатый ремень, что приводит к его выходу из строя. Кроме того, бывают случаи обрыва ремня из-за
попадания в привод посторонних предметов.
Системы привода распределительного вала (валов) зубчатым ремнем или цепью оснащаются натяжителем с
механическим или гидравлическим приводом для компенсации производственных отклонений и износа в
процессе эксплуатации. Натяжители цепей выполняются в виде пластмассового башмака или с натяжными
звездочками или роликами. С цепью предотвращения колебаний на участках ведущих участков цепи
устанавливаются успокоители, как правило, из пластмассы.
В зависимости от количества клапанов и их расположения выбирается конструкция системы привода. При
однорядном параллельном расположении клапанов их привод осуществляется непосредственно через
толкатель, либо рычаг (рокер). При двухрядном расположении клапанов и одном распределительном вале привод клапанов
выполняется обычно при помощи коромысел.
Для повышения наполнения в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигатели оснащаются системами
с изменяемыми фазами газораспределения (в основном с изменением фаз впускного клапана).
Существуют следующие способы изменения фаз газораспределения:
Система управления газораспределением с изменением длины набегающей ветви ремня: 1,4 — зубчатые шестерни;
2 — зубчатые звездочки; 3 — зубчатый ремень с натяжной звездочкой, изменяющей длину ведущего участка цепи
— при помощи муфты с винтовыми шлицами или зубьями, связанной с ведомой звездочкой распределительного вала;
— при помощи муфты с роторным механизмом, поворачивающим распределительный вал относительно ведомой звездочки;
— трехрокерным механизмом (Honda), позволяющим изменять продолжительность открытия клапана, с отключаемым рокером.
Существуют механизмы для изменения высоты подъема клапана. Оригинальный механизм привода создан
фирмой БМВ у 4-х и 8-ми цилиндровых двигателей для регулирования фаз газораспределения, высоты подъема
впускных клапанов, а также длины впускных каналов.
Схема управления фазами газораспределения, высотой подъема впускных клапанов и длиной
впускных каналов на двигателе BMW Walvetronic
При повороте электромотором эксцентрикового вала изменяется угол наклона нижней рабочей поверхности
промежуточного рычага. При набегании кулачка на средний ролик этого рычага изменяется ход рокера и
соответственно, ход клапана. Снижение наполнения цилиндров и соответственно, мощности двигателя, достигается
уменьшением высоты подъема впускных клапанов от 9,7 мм до необходимой величины (0,5-2,0 мм на малых нагрузках и
холостом ходу). При малой высоте подъема клапана, кроме снижения потерь на газообмен, повышаются скорости
прохождения смеси через клапанную щель до критических. Это улучшает смесеобразование, снижаются
механические потери на привод клапанного механизма, шум двигателя, износ деталей. В случае регулирования мощности
высотой подъема клапана нет затрат времени на заполнение ресивера и впускных патрубков, а соответственно,
ошибок в показаниях датчика расхода воздуха в начальный период разгона автомобиля. Время срабатывания
механизма — 300 мс. Получаемый эффект по экономии расхода топлива достигает 14%, кроме того, удается
обеспечить выполнение перспективных норм токсичности Евро-4. Существенно улучшаются и динамические
качества автомобиля.
Профиль кулачка и величина теплового зазора для предотвращения стука выбираются таким образом, чтобы момент
касания кулачка толкателя или рычага привода при любом тепловом режиме соответствовал зоне минимальных ускорении.
На тихоходных двигателях профиль кулачка выполнялся по двум или трем дугам окружности.
Для современных быстроходных двигателей существуют методики выбора безударного профиля кулачка с учетом
обеспечения надежной работы газораспределительного механизма при максимальных частотах вращения.
В некоторых двигателях кулачки распредвалов делаются с несимметричным профилем.
Клапанные пружины выбираются расчетом так, чтобы в зоне отрицательных ускорений
обеспечивали необходимый запас суммарных усилий пружин для безопасной работы клапанного механизма.
Стремление повысить мощностные показатели двигателей ограничивалось возможностями привода
клапанного механизма. Для расширения этих возможностей требовалось увеличение усилия клапанных пружин,
что приводило к повышенному износу пар трения и увеличению механических потерь. Кроме того, в результате
резонансных явлений в клапанных пружинах нарушалась работа всего механизма.
После посадки в седло клапан один или два раза подпрыгивает, что резко снижает наполнение цилиндров.
Для смещения зоны резонансных колебаний пружины в сторону повышенных частот вращения они
выполняются с переменным шагом или внутри основной пружины устанавливается пружина из плоской ленты,
выполняющая функцию демпфера. Чтобы обеспечить работу системы газораспределения без клапанных пружин,
разработаны различные варианты систем принудительного открытия и закрытия клапанов, так называемые
десмодромные механизмы. Открытие и закрытие клапана производится со значительно большими ускорениями,
что позволяет значительно увеличить «время-сечение» открытого состояния клапана и, следовательно,
повысить наполнение на высоких частотах вращения. При работе десмодромного механизма двигателя Mercedes-Benz
на режиме 10 ООО об./мин максимальные положительные ускорения клапана достигают значений 17 ООО м/с2, а
отрицательные — 8000 м/с2, что в пять-девять раз больше
Десмодромный механизм газораспределения двигателя Mercedes-Benz тина GP:
соответствующих ускорений у обычных газораспределительных механизмов. Существуют и другие варианты
десмодромных механизмов. Основной проблемой при создании этих механизмов является обеспечение
компенсации зазоров, образующихся при износе, что ограничивает применение их для автомобилей
массового производства.
Регулирование теплового зазора.
В системе привода клапана должен сохраняться так называемый тепловой
зазор. При максимальной мощности температура выпускного клапана доходит до 750-850 "С, в то время как
температура остальных деталей головки цилиндра двигателей с жидкостным охлаждением не превышает 100-120 °С.
Стержень клапана удлиняется на большую величину, чем остальные детали головки, при этом тепловой зазор
уменьшается. Если при перегреве клапана (например, из за позднего зажигания), износе седла и фаски клапана
или неправильной регулировке зазора нарушится герметичность и прижатие клапана к седлу,
то произойдет прогар клапана. Профиль кулачка и величина теплового зазора для предотвращения стука выбираются
таким образом, что бы момент касания кулачка толкателя или рычага привода при любом тепловом режиме
соответствовал зоне минимальных ускорений.
На практике тепловой зазор двигателей с жидкостным охлаждением определяется при помощи плоского
щупа. При этом приходится учитывать конструктивные особенности двигателя, износ контактирующих
поверхностей и др. Наименьшую массу поступательно движущихся частей
удается добиться в приводе клапана от кулачка непосредственно через толкатель. В этом случае регулирование
теплового зазора осуществляется путем замены цилиндрических вставок для всех клапанов. При износе контактных
поверхностей фактический тепловой зазор получается больше замеренного плоским щупом. Поэтому наиболее
точным способом является замер зазора специальным приспособлением с использованием индикатора.
Для исключения необходимости проверки и реагирования теплового зазора, а также предотвращения
прогара клапана при износе седел и фасок клапанов большинство современных двигателей оборудуются
системой автоматического регулировании теплового зазора. В случае привода клапана при помощи рычага в его
опоре делается гидравлический регулируемый элемент. В двигателях с приводом через толкатель его выполняют с
гидравлическим компенсатором теплового зазора (гидротолкатель). Гидротолкатели применяются на
двигателях с нижним расположением распредвала со штанговым
приводом и на двигателях с непосредственным приводом от распределительного вала. Масло из системы
смазки подается сначала во внутреннюю полость толкателя, а затем через шариковый или пластинчатый клапан
во внутреннюю полость между наружным и внутренним плунжером. Под давлением масла толкатель
прижимается к кулачку. При набегании кулачка на толкатель внутри плунжерной пары создастся высокое давление,
обеспечивая открытие клапана. После длительной остановки двигателя масло из гидротолкателя открытого клапана
вытекает, что после пуска приводит к стуку клапанов в течение нескольких секунд. При сильном износе
плунжерных пар в гидравлических толкателях или упорах рычага привода время работы со стуком клапанов
увеличивается. В случае попадания в масло воздуха (при вспенивании масла) находящийся внутри толкателя воздух
выдавливается и не нарушает работу толкателя.
В двигателях с приводом клапана при помощи рычага автоматическое реагирование теплового зазора
осуществляется гидравлическим упором. Принцип его работы аналогичен гидротолкателю. Масто из системы смазки
заполняет внутреннюю полость гидравлического упора, прижимая рычаг к кулачку.
При применении гидротолкателей или гидравлических упоров тепловой зазор достигается за счет незначительной утечки
масла через зазор плунжерной пары. В системах газораспределения с гидротолкателями или
гидравлическими упорами требуется применение масел с высокой степенью очистки и с пологими
температурными кривыми вязкости. Читать далее >>>
Система привода клапанов газораспределительного механизма 
Профиль кулачка и величина теплового зазора для предотвращения стука выбираются таким образом, чтобы момент
касания кулачка толкателя или рычага привода при любом тепловом режиме соответствовал зоне минимальных ускорении.
На тихоходных двигателях профиль кулачка выполнялся по двум или трем дугам окружности.
Для современных быстроходных двигателей существуют методики выбора безударного профиля кулачка с учетом
обеспечения надежной работы газораспределительного механизма при максимальных частотах вращения.
В некоторых двигателях кулачки распредвалов делаются с несимметричным профилем.
Клапанные пружины выбираются расчетом так, чтобы в зоне отрицательных ускорений
обеспечивали необходимый запас суммарных усилий пружин для безопасной работы клапанного механизма.
Стремление повысить мощностные показатели двигателей ограничивалось возможностями привода
клапанного механизма. Для расширения этих возможностей требовалось увеличение усилия клапанных пружин,
что приводило к повышенному износу пар трения и увеличению механических потерь. Кроме того, в результате
резонансных явлений в клапанных пружинах нарушалась работа всего механизма.
