Конструкция клапанов системы газораспределения

Для хорошего наполнения цилиндра сечение впускного и выпускного каналов головки блока должно быть большим. Ограничения диаметра тарелки клапана обусловлены конструкцией головки блока цилиндров и формой камеры сгорания. Клапаны с параллельным расположением могут иметь меньший диаметр по сравнению с клапанами, расположенными под углом в шатровой камере сгорания (рис. 8.13). Выпускной клапан имеет чаще всего меньший диаметр, чем впускной клапан. Это сделано для того, чтобы не перепутать клапаны при сборке головки блока цилиндров. Кроме того, впускной клапан большего диаметра обеспечивает лучшее наполнение цилиндра холодной рабочей смесью, а горячие отработавшие газы хорошо выходят через выпускной канал меньшего диаметра. При этом важно, чтобы выпускной клапан был изготовлен из более теплостойкого материала.



Для клапанов с параллельным расположением выбираются следующие размеры (рис. 8.14):

1. Клапаны одинакового размера d ≈ 0,4 D

2. Клапаны разного размера

• d_E ≈ 0,45 D
• d_A ≈ 0,35 D

D — диаметр цилиндра;
Е — впускной клапан;
А — выпускной клапан.

Для клапанов с косым расположением диаметр тарелки конструктивно выбираются, исходя из конструкции головки блока цилиндров.





В двигателях легковых автомобилей и мотоциклов число клапанов в головке блока цилиндров может доходить до пяти на цилиндр (рис. 8.13). Общие проходные сечения впускного и выпускного каналов увеличиваются. В результате улучшается наполнение цилиндра и повышается мощность двигателя. Свеча зажигания может быть установлена в середине камеры сгорания, чтобы сократить путь пламени и период задержки воспламенения. В дизельных двигателях с помощью размещения форсунки в центре камеры сгорания достигается более благоприятное направление струи впрыскиваемого топлива и, как следствие, лучшее сгорание смеси.

Головка блока цилиндров с двумя клапанами на цилиндр проще по конструкции и легче по весу. Конструкция с несколькими клапанами на цилиндр, при всех своих достоинствах, отличается сложностью конструкции и высокими затратами на изготовление.

Диаметр стержня клапана определяется следующим образом:

в двигателях с высокой частотой вращения коленчатого вала



в двигателях с низкой частотой вращения коленчатого вала





Угол фаски тарелки клапана составляет преимущественно 45°, а ширина фаски клапана варьируется от 1,5 до 2,5 мм.

При определении максимального хода клапана исходят из условия, что размер канала вокруг клапана должен быть немного больше, чем позади него. Отсюда, согласно рис. 8.14, можно вывести следующее уравнение:



Согласно опыту величина максимального хода клапана h_max варьируется между d/6 и d/4.

После того, как все размеры клапана определены, необходимо проверить диаметр клапана и максимальный ход его открытия с помощью средней скорости потока газов ω_m на седле клапана. Данная средняя скорость потока газов является всего лишь расчетной величиной. Ее значение можно получить из уравнения непрерывности потока:





ω_mcos σ — составляющая скорости потока газов, который движется вертикально через сечение π·d·h_max (при максимально открытом клапане);
c_m — средняя скорость поршня;
D — диаметр цилиндра.

Из вышестоящего уравнения можно вывести формулу для средней скорости потока газов ω_m:



Рассчитанная средняя скорость потока газов сравнивается со значениями, полученными для выпускающихся двигателей, схожих по параметрам. Если она сильно отличается от значений, принятых для серийных двигателей, тогда необходимо заново определять диаметр тарелки и ход клапана.

Экспериментальные данные для ω_m:

• Впускной клапан ω_m ≈ 60—90 m/s
• Выпускной клапан ω_m ≈ 80—120 m/s

(Источник доступен здесь: «www.PeugeotBook.ru»)

Согласно уравнению 8.2, уменьшение угла уплотнительной фаски клапана с 45° до 30° чисто математически в итоге дает снижение скорости потока, то есть улучшение условий обтекания клапана потоком газа. В действительности для впуска не фиксируется улучшение наполнения цилиндра. При выпуске, напротив, происходит быстрая очистка цилиндра от отработавших газов. Противоречия с уравнением 8.2 объясняются сильно упрощенным соотношением, принятым для открытого проходного сечения канала клапана A_v.





h — переменный ход клапана.

Данное уравнение лишь приблизительно определяет величину проходного сечения канала, открываемого клапаном. Точное уравнение для открытого канала канала дает понять, что при маленьком ходе клапана проходное сечение канала становится значительно больше в том случае, если угол процесса наполнения цилиндра не следует ждать особых изменений. Процесс очистки цилиндра от отработавших газов, напротив, происходит очень быстро, так как уже при небольшом ходе клапана возникает большая разница давлений в цилиндре и в выпускном коллекторе.