Распределительный вал
Распределительный вал приводит в движение клапаны — непосредственно или через промежуточные детали. Его частота вращения в четырехтактном двигателе равна половине частоты вращения коленчатого вала. В двухтактном двигателе при наличии клапанного газораспределения частота вращения коленчатого и распределительного валов одинакова.
Рис. 8.3. Простейший газораспределительный механизм
Распределительный вал всегда приводится в действие от коленчатого вала. У двигателей устаревшей конструкции распределительный вал находился в блоке цилиндров и приводился с помощью цепи или косых шестерен разного размера. В последнем случае большая шестерня, надевавшаяся на распределительный вал, изготавливалась из мягкого материала (текстолит или алюминий) для снижения шума работы двигателя. На более современных двигателях распределительный вал расположен в головке блока цилиндров и приводится цепью, зубчатым ремнем, набором цилиндрических шестерен или валиком с коническими шестернями (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Варианты привода распределительного вала в головке блока цилиндров
Шестерни и цепи привода распределительного вала при работе смазываются маслом из системы смазки двигателя. Зубчатый ремень из полимерного материала, армированный стальной проволокой или нитями из стекловолокна, при работе не смазывается. Конические зубчатые передачи дороги в производстве, поэтому используются в настоящее время только в двигателях гоночных автомобилей или мотоциклов.
Распределительный вал в головке блока цилиндров располагается обычно на двигателях с высокой частотой вращения коленчатого вала, чтобы избежать колебаний привода клапанов и возможной поломки клапанных пружин. Последнее может привести к аварии всего двигателя, вплоть до разрушения поршня и блока цилиндров. В цепном и ременном приводах имеются натяжное устройство и направляющие элементы, которые обеспечивают работу привода распределительного вала без внутренних колебаний.
Распределительный вал изготавливается из стали или из специального чугуна. Рабочие поверхности кулачков и опорные шейки закаливаются и шлифуются. Прочность валов из специального чугуна достигается с помощью закалки.
Толкатели
Простой толкатель используется в двигателях с небольшими нагрузками. Он должен вращаться вокруг своей продольной оси для снижения износа в месте контакта толкателя с кулачком распределительного вала, что достигается установкой толкателя с небольшим смещением (эксцентриситетом) относительно оси распределительного вала. Для более высоких нагрузок лучше использовать роликовый толкатель, который вокруг своей продольной оси вращаться не должен, зато ролик толкателя обкатывается по поверхности кулачка, значительно снижая трение и износ.
Рис. 8.5. Виды толкателей
При использовании гидравлических толкателей не нужно регулировать зазор в приводе клапанов. При закрытом клапане из системы смазки двигателя в цилиндр толкателя попадает так много масла, что поршень толкателя без зазора прижимает части привода клапана друг к другу. Как только кулачок поднимает толкатель, шариковый обратный клапан перекрывает канал для подачи масла, а толкатель и поршень толкателя вместе двигаются вверх.
Толкатели чаще всего изготавливаются из чугуна. Поверхности трения закаливаются и шлифуются.
Штанга толкателя
Штанга толкателя — элемент устаревшей конструкции автомобильного двигателя, в котором распределительный вал находился в нижней части блока цилиндров. Штанги толкателей переносили усилие от толкателей на коромысла клапанов. Штанги изготавливались из стали или алюминиевого сплава, на торцах штанг с одной стороны были опоры под регулировочный винт коромысла клапана, а с другой стороны — шарик-опора для установки штанги в толкатель.
Коромысло
Двуплечее коромысло (рис. 8.6) сдвигает клапан, открывая впускной или выпускной каналы в головке блока цилиндров. Оно изготавливается из стали или чугуна. В современных двигателях коромысла привода клапанов применяются все реже и реже.
Рис. 8.6. Двуплечее коромысло клапана
На коромысле установлен регулировочный винт с контргайкой для регулировки зазоров в приводе клапанов. Зазоры регулируются таким образом, чтобы на прогретом двигателе оставался небольшой зазор между коромыслом и клапаном для надежного герметичного закрытия клапана. Негерметичный клапан быстро пригорит по краям вследствие действия протекающих через него горячих газов.
Распределительный вал, расположенный в головке блока цилиндров, может открывать клапаны не только с помощью двуплечих коромысел, но и непосредственно с использованием рычагов открытия клапана или толкателей (рис. 8.7), что сегодня используется практически повсеместно.
Рис. 8.7. Рычаг открытия клапана и толкатель
Возвратные механизмы клапана
Возвратный механизм клапана служит для возвращения его в исходное положение поcле открытия и удержания в исходном положении с сохранением герметичности канала. Чаще всего в таком качестве используются одна или несколько винтовых возвратных пружин. Реже используются возвратные пружины шпилечного типа (рис. 8.8).
Рис. 8.8. Шпилечная возвратная пружина
В двигателях спортивных и гоночных автомобилей или мотоциклов с очень высокой частотой вращения коленчатого и распределительного валов пружины во многих случаях не используются. Дело в том, что частота открывания-закрывания клапанов в таких двигателях столь высока, что пружины просто не успевают срабатывать, возвращая клапан в исходное положение после открытия. В этих случаях используют десмодромный (принудительный) привод клапанов (рис. 8.9). В таком механизме на каждый клапан на распределительном валу приходятся два кулачка, один из которых приводит рычаг открытия клапана, а другой — рычаг его закрытия. При закрытии клапан плотно прижимается к своему седлу и затем полностью закрывается под воздействием давления газов в цилиндре. Такие механизмы эффективно работают только на больших оборотах, в противном случае в подобных двигателях компрессия минимальна.
Рис. 8.9. Десмодромный (принудительный) привод открытия и закрытия клапана
Клапан
Клапаны автомобильного двигателя подвергаются высоким механическим и термическим нагрузкам, а также коррозионному воздействию со стороны продуктов сгорания рабочей смеси. При полной нагрузке температура на поверхности тарелки выпускного клапана доходит до 800°С, а на тарелке впускного клапана — до 500°С. Для противостояния таким нагрузкам выпускные клапаны изготавливают из высоколегированных сталей с высокой теплостойкостью. Для увеличения его срока службы на уплотнительную фаску тарелки клапана наплавляется особенно прочный сплав CrNi (рис. 8.10). Температуру тарелки клапана можно понизить, если использовать клапаны с натриевым охлаждением (рис. 8.11). Полый стержень клапана на 2/3 наполняется натрием. Во время работы двигателя натрий от нагрева становится жидким, испаряется и поддерживает перенос тепла от тарелки к стержню, через который тепло передается на направляющую втулку клапана.
Рис. 8.10. Клапан с наплавлением твердого сплава на уплотнительную фаску | Рис. 8.11. Клапан с натриевым охлаждением |
В высоконагруженных двигателях срок службы клапана можно увеличить в несколько раз, установив поворотный механизм (рис. 8.12). Как только клапан открывается, пружина клапана прижимает тарелку клапана к поворотному механизму, шарики катятся по дорожке и поворачивают клапан на небольшой угол вокруг его оси. Вследствие принудительного вращения конец стержня клапана и тарелка не подвержены отложениям продуктов сгорания и распада масла, поэтому вероятность негерметичности клапана из-за пригорания уплотнительной фаски значительно снижается.
Рис. 8.12. Поворотный механизм клапана
Направляющая втулка клапана
Направляющая втулка клапана изготавливается из серого чугуна или из материала с высокой теплостойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Для хорошего отвода тепла направляющая втулка должна быть как можно длиннее, при этом торец направляющей втулки выпускного клапана не должен выступать в выпускной канал головки блока цилиндров, так как в этом случае втулка будет дополнительно поглощать тепло.
Седло клапана
В головках блока цилиндров, которые изготовлены из чугуна, седло клапана фрезеруется и шлифуется непосредственно в теле головки. Если головка блока цилиндров изготовлена из легкого сплава, то в этом случае используются вставные седла клапанов из особого серого чугуна. Для обеспечения хорошей герметичности клапанов уплотнительные фаски на тарелке клапана и его седле должны быть по возможности узкими (1,5-2,5 мм). Хорошее уплотнение достигается методом притирки клапанов к седлам.