Механизм газораспределения
Впуск рабочей смеси или воздуха в цилиндр двигателя и выпуск из него отработавших газов производятся соответственно через впускной и выпускной клапаны с механическим управлением. Регулирование продолжительности открытия и закрытия клапанов производится с помощью распределительного вала механизма, называемого механизмом газораспределения. Он имеет место не только в четырехтактных, но и в двухтактных двигателях с прямоточно-клапанной продувкой.
Передача вращения распределительному валу от коленчатого производится через систему цилиндрических или конических зубчатых шестерен, а также при помощи цепной передачи. В быстроходных двигателях и в двигателях с большими габаритными размерами по высоте в целях уменьшения массы деталей привода клапанов распределительный вал располагают на уровне крышек цилиндров сбоку двигателя или непосредственно над клапанами. В этом случае вращение от коленчатого вала к распределительному передается посредством вертикального промежуточного вала 6 (рис. 48) и закрепленных соответственно на этих валах винтовых цилиндрических шестерен: разъемной 8 — на коленчатом, неразъёмных 1, 4 — на распределительном и 5 — на промежуточном. Открытие клапана производится при помощи рычага 2, имеющего ось качания 1 и ролик 3, который при вращении распределительного вала перекатывается по поверхности кулачковой шайбы, закрепленной на этом валу. При подъеме конца рычага 2 с роликом 3 вверх другой его конец опустится вниз и откроет клапан. Закрывается клапан под действием пружины, установленной на его штоке и находящейся в сжатом состоянии при открытии клапана.
Рис. 48. Механизм газораспределения быстроходного двигателя.
В двигателях малой и средней мощности передача вращения распределительному валу производится обычно при помощи цилиндрических шестерен (см. рис. 38): ведущей разъемной/7 на коленчатом валу 16, паразитной 15 и ведомой 18 — на распределительном. Распределительный вал 13 с насаженными на него кулачками 12 располагается примерно на уровне средней части картера 2 сбоку двигателя и находится в закрытом лотке. Лоток служит для вала масляной ванной, а поперечные перегородки лотка — основанием для подшипников. Вследствие более низкого расположения распределительного вала привод клапана осуществляется при помощи длинной штанги (толкателя) 7 и двуплечего рычага 5.
Впускные и выпускные клапаны механизма газораспределения работают в тяжелых условиях, поэтому материал для их изготовления должен отличаться жаростойкостью, антикоррозионностью, высокой прочностью и вязкостью, износоустойчивостью и т. д. Для тихоходных двигателей клапаны изготовляют из углеродистой стали Ст. 5 или тарелку клапана выполняют из высококачественной, а шток — из углеродистой стали. Для быстроходных двигателей клапаны выполняют из специальных сталей типа сильхром, а рабочие фаски клапанов с целью повышения их твердости покрывают сплавом стеллит. Впускные клапаны, как работающие в более легких условиях, чем выпускные, часто изготовляют из недорогих сталей. Пружины клапанов выполняют из сталей марок 65Г, 60С2, 60С2ХА и 50ХФА с высоким пределом текучести.
В судовых дизелях применяют впускные и выпускные клапаны двух типов: с вставным корпусом и без корпуса. В быстроходных двигателях и в тихоходных малой и средней мощности применяют клапаны без корпуса, которые вставляют непосредственно в крышку цилиндра. Рабочую фаску клапана в этом случае притирают непосредственно к стенке нижнего днища крышки цилиндра или к стенке вставного седла клапана. При этом увеличивается проходное сечение клапана и, следовательно, снижается сопротивление при впуске и выпуске.
В тихоходных двигателях большой мощности применяют конструкцию клапанов с корпусом. Такая конструкция позволяет притирать и осматривать клапаны без снятия крышки цилиндра. Корпус клапана отливают из чугуна. Внутри корпуса предусматриваются полости для циркуляции охлаждающей воды (охлаждение тарелки клапана). Недостатком конструкции клапана с корпусом является уменьшение его проходного сечения, что приводит к увеличению сопротивления при движении газов и воздуха.
Кроме клапанов ответственными деталями механизма газораспределения являются распределительный вал и кулачковые шайбы. Распределительный вал изготовляют из сталей тех же марок, что и коленчатый. В быстроходных двигателях его выполняют заодно с кулачковыми шайбами из цементируемой легированной стали. В тихоходных двигателях кулачковые шайбы изготовляют отдельно от распределительного вала и крепят на нем при помощи шпонок. В этом случае для кулачковых шайб применяют малоуглеродистую сталь с последующей цементацией, закалкой и шлифованием рабочей поверхности шайбы.
Расположение кулачковых шайб на распределительном валу (угол их заклинивания) и их профиль должны быть такими, чтобы обеспечивался определенный закон движения клапанов, согласованный с продолжительностью тактов цикла в каждом цилиндре двигателя и с порядком их работы. Углы заклинивания кулачковых шайб выбирают в зависимости от расположения (углов заклинивания) кривошипов коленчатого вала по отношению друг к другу. Последнее соответствует порядку работы цилиндров и является постоянным для данного двигателя.
Продолжительность тактов, определяемая отрезками времени между началом открытия и концом закрытия клапанов, выраженная в углах поворота коленчатого вала, называется фазами газораспределения. Графически фазы газораспределения изображаются в виде круговой диаграммы газораспределения, пример которой (для четырехтактного двигателя) приведен на рис. 49.
Рис. 49. Диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя: I — сжатие; II — выпуск; III — расширение; IV— впуск; 1, 4 — открытие и закрытие впускных клапанов; 2, 3 — закрытие и открытие выпускных клапанов.
Кроме кулачковых шайб впускного и выпускного клапанов на распределительном валу закрепляются шайбы топливного насоса, пускового клапана или распределителя пускового воздуха, а также различные шестерни. Кулачковые шайбы топливных насосов имеют обычно симметричный профиль, поэтому их используют при работе двигателя как на переднем, так и на заднем ходу.
Конструкция механизма газораспределения в двухтактных двигателях определяется системой продувки. В зависимости от характера движения потоков воздуха в цилиндре различают две основные группы систем продувки: контурные и прямоточные.
В прямоточных системах поток продувочного воздуха движется не по контуру цилиндра, а в одном направлении, поэтому продувочный воздух не перемешивается с отработавшими газами. Это обеспечивает хорошее качество процессов очистки и наполнения цилиндров и, следовательно, приводит к i повышению мощности двигателя.
Следует отметить, что большинство судовых двухтактных двигателей отечественного и зарубежного производства имеет прямоточную клапанно-щелевую систему продувки, которая позволяет осуществлять наддув цилиндров.