Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Впускной клапан, предназначен для установки во впускном канале ДВС. Впускной клапан представляет собой единую монолитную деталь, содержащую стержень клапана, галтель клапана и тарелку, имеющую боковую торцевую поверхность и контактную фаску. Контактная фаска представляет собой усеченно-коническую поверхность с меньшим основанием, имеющим радиус R2, и обеспечивает возможность контакта с седлом клапана ДВС. Стержень клапана выполнен по крайней мере из одного участка с постоянным радиусом, при этом радиус стержня клапана в зоне сопряжения с галтелью равен R1. Галтель клапана выполнена с увеличением диаметра от стержня клапана к тарелке. Профиль галтели выполнен в соответствии с кривой, точки которой определены парами координат (xa; ra), где x - координата, измеренная вдоль оси клапана, начиная от линии сопряжения галтели и тарелки, r - координата, измеренная вдоль торцевой поверхности тарелки, начиная от оси клапана, a - порядковый номер точки. Совокупность точек (xa; ra), образующих кривую профиля галтели, расположена между двумя пограничными кривыми, каждая из которых определена совокупностью N точек (xb, rb) и (xt, rt) соответственно, где xb=db*R2, rb=lb*R2+mb*(R1-0.2*R2), xt=dt*R2, rt=lt*R2+mt*(R1-0.2*R2. Приведены значения db, lb, mb для совокупности точек N от 1 до 8 и значения dt, lt, mt для совокупности точек N от 1 до 9. Технический результат заключается в подборе оптимальной с аэродинамической точки зрения формы криволинейной галтели клапана. 2 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.
Область техники
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при конструировании поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с целью обеспечения повышения степени наполнения цилиндра двигателя на такте впуска воздухом или воздушно-топливной смесью.
Уровень техники
Из уровня техники известно решение впускного клапана ДВС, представленное в патенте GB 1569277 A. Раскрыто конструктивное выполнение впускного клапана, профиль поверхности которого не содержит углов и неровностей; канал, в котором расположен клапан, имеет криволинейные стенки; профиль поверхности галтели клапана выполнен криволинейным с тем же радиусом кривизны, что и у стенок подводящего канала; боковая поверхности седла клапана выполнена скругленной.
Однако при реализации данного технического решения затруднительным представляется выполнение криволинейными стенок впускного подводящего канала вблизи седла клапана, поскольку они в данной зоне имеют нулевой радиус кривизны, то есть выполнены прямолинейными. Кроме того, данное техническое решение заключается в обеспечении минимальных потерь завихренности воздушного потока, входящего в цилиндр через открытый клапан и не способствует повышению газонаполненности цилиндра.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является техническое решение впускного клапана, раскрытое в публикации GB 2115486 A, характеризующееся равным отношением длины галтели (криволинейного участка) к диаметру тарелки. По мнению автора данного изобретения, течение рабочей среды через открытый клапан стандартной формы с меньшей осевой длиной галтели становится турбулентным из-за резкого уступа в месте соединения стержня и тарелки. Из современной аэродинамики известно, что подобные уступы в профилях обтекаемых тел приводят к появлению отрыва пограничного слоя рабочей среды (отрывные зоны). Это не турбулентное, а ламинарное явление. Развитая отрывная зона в потоке снижает эффективную площадь кольцевого сечения, через которое идет воздух; кроме этого возрастают потери кинетической энергии газа и полного давления, связанные с вязкостью. Это снижает расход рабочей среды через открытый клапан, и, следовательно, газонаполнение цилиндра и объемный КПД двигателя.
Также известно, что спрямление таких уступов обтекаемого профиля не всегда позволяет избежать возникновения отрывной зоны, поскольку у поверхности клапана по-прежнему может возникать торможение потока газа.
На странице http://www.refsru.com/referat-22208-2.html приведен схематичный чертеж стандартного впускного клапана. Как следует из представленного изображения, форма стандартного впускного клапана не оптимальна с аэродинамической точки зрения. Галтель, которая обеспечивает переход от стержня клапана с постоянным диаметром к плоской тарелке клапана, имеет малую длину вдоль оси симметрии клапана, у поверхности клапана в области галтели клапана возникает сильное торможение потока рабочей среды (топливно-воздушной смеси). Это в свою очередь приводит к появлению отрыва пограничного слоя. В результате, резко возрастают потери на трение, часть впускного канала загромождается образовавшейся отрывной зоной, что приводит к уменьшению потока газа через открытый клапан, и, следовательно, к уменьшению количества газа, попадающего в цилиндр.
Для обеспечения безотрывности потока газа необходимо детальное рассмотрение аэродинамических свойств воздушного потока, которое описано в настоящей заявке.
Задачей настоящего изобретения является создание впускного клапана для поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающего высокое газонаполнение цилиндра воздухом или топливно-воздушной смесью на такте впуска.
Техническим результатом изобретения является повышение газонаполнения цилиндра за счет подбора оптимальной с аэродинамической точки зрения формы криволинейной галтели клапана.
Поставленная задача решается тем, что впускной клапан, выполненный с возможностью установки в впускном канале двигателя внутреннего сгорания (ДВС), представляет собой единую монолитную деталь, содержащую стержень клапана, галтель клапана и тарелку, имеющую боковую и торцевую поверхности, контактную фаску, которая представляет собой усеченно-коническую поверхность с меньшим основанием, имеющим радиус R2, и обеспечивает возможность контакта с седлом клапана ДВС, при этом
стержень клапана выполнен, по крайней мере, из одного участка с постоянным радиусом, при этом радиус стержня клапана в зоне сопряжения с галтелью равен R1,
галтель клапана выполнена с увеличением диаметра от стержня клапана к тарелке, при этом профиль галтели выполнен в соответствии с кривой, точки которой определены парами координат (xa; ra), где х - координата точки профиля галтели, измеренная вдоль оси клапана, начиная от линии сопряжения галтели и тарелки, r - координата точки профиля галтели, измеренная вдоль торцевой поверхности тарелки, а - порядковый номер точки, при этом совокупность точек (xa; ra), образующих кривую профиля галтели расположена между двумя пограничными кривыми, каждая из которых определена совокупностью N точек (xb, rb) и (xt, rt) соответственно, где
xb=db*R2,
rb=lb*R2+mb*(R1-0.2*R2),
при этом для каждого N
xt=dt*R2,
rt=lt*R2+mt*(R1-0.2*R2),
при этом для каждого N
Угол наклона криволинейной галтели к стержню клапана в зоне сопряжения галтели и тарелки составляет не менее 60°. Галтель может быть выполнена из криволинейного и прямолинейного участков, с обеспечением постоянной скорости потока рабочей среды вдоль криволинейного участка галтели и монотонным увеличением вплоть до звуковой скорости вдоль прямолинейного участка галтели. Кроме того, галтель выполнена с обеспечением безотрывного сверхзвукового течения рабочей среды и формирования одной звуковой поверхности в зоне зазора, образуемого при максимальном ходе впускного клапана. При этом выполняется соотношение давления рабочей среды во впускном канале цилиндра p1 к давлению вне впускного канала цилиндра р2: p1/p2>((k+1)/2)^(k/(k-1)), где k - показатель адиабаты рабочей среды.
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 схематично представлены сравнительные диаграммы потоков рабочей среды вдоль стандартного известного впускного клапана и заявляемого впускного клапана.
На фиг. 2 представлен график зависимости числа Маха от длины дуги галтели вдоль поверхности заявляемого профилированного клапана.
На фиг. 3 схематично представлено сечение заявляемого клапана в размерной сетке. При этом приведенная размерная сетка не является признаком изобретения, ограничивающим габариты впускного клапана, а показывает возможный вариант реализации впускного клапана конкретного типоразмера.
На фиг. 4 представлена 3D модель заявляемого впускного клапана.
На фиг. 5 представлена схема расположения линии галтели в известном клапане и заявляемом клапане.
На фиг. 6 схематичное изображение из фиг. 5 представлено укрупненно.
На фиг. 7 схематично изображены профили галтелей клапанов, полученные с использованием расчетных формул.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - стержень,
2 - криволинейный участок галтели;
3 - прямолинейный участок галтели;
4 - тарелка клапана;
5 - седло клапана,
6 - выемка,
7 - контактная фаска,
8 - пограничные линии профиля галтели.
Впускной клапан - элемент механизма газораспределения ДВС, который отвечает за пропуск в рабочую камеру сгорания топливно-воздушной смеси или только воздуха (для дизельных ДВС или моторов с непосредственным впрыском). В общем случае впускной клапан соединяет впускной канал ДВС с цилиндром двигателя.
Для однозначной трактовки сущности заявляемого изобретения ниже приведены определения составных частей впускного клапана, используемые при составлении данной заявки.
«Стержень клапана» - часть клапана с постоянным диаметром.
«Галтель» - часть клапана с изменяющимся диаметром (от стержня до тарелки). Галтель может быть криволинейной - для формирования скругленного участка или прямолинейной - для формирования конического участка.
«Тарелка клапана» - часть клапана, сопряженная с галтелью, контактирующая с седлом клапана. Тарелка содержит плоскую (или вогнутую) торцевую поверхность, боковую поверхность и контактную фаску, форма которой соответствует форме седла клапана.
«Седло клапана» - посадочная поверхность, к которой прилегает контактная фаска тарелки клапана в закрытом состоянии. Седло клапана устанавливается во впускном канале ДВС.
В качестве изобретения заявлено техническое решение впускного клапана, характеризующегося повышенным газонаполнением цилиндра ДВС за счет подбора оптимальной аэродинамической формы поверхности галтели клапана, а также расчета соотношений основных параметров клапана.
Впускной клапан выполнен в виде единой монолитной осесимметричной детали и, с точки зрения функциональных составляющих, содержит:
- стержень клапана, который может иметь постоянный диаметр (и, соответственно, радиус R1) вдоль всей протяженности, или может быть выполнен из нескольких, например, двух протяженных участков различного диаметра. При этом зона перехода от одного диаметра к другому может быть выполнена усеченно-конической или ступенчатой. Для выполнения расчетов при выборе оптимальной аэродинамической формы в случае выполнения стержня из нескольких участков различного диаметра, в качестве R1 считают радиус того участка, который примыкает к галтели клапана.
- тарелка клапана, часть впускного клапана, имеющая наибольший диаметр. При этом тарелка имеет торцевую поверхность, которая может быть выполнена плоской или, с целью уменьшения материалоемкости, вогнутой. Закон, определяющий кривизну торцевой поверхности, не является предметом настоящего изобретения, поскольку не влияет на степень газонаполненности цилиндра ДВС. Кроме того, тарелка имеет контактную фаску, представляющую собой усеченно-коническую поверхность, контактирующую с посадочной поверхностью седла клапана при осуществлении рабочего хода; при этом при контакте двух поверхностей впускной клапан находится в положении «закрыто», а при наличии зазора между двумя указанными поверхностями впускной клапан находится в положении «открыто», максимальный зазор соответствует максимальному рабочему ходу впускного клапана.
- галтель клапана, закон кривизны которой, в основном, определяет аэродинамическую составляющую впускного клапана. Галтель может быть как криволинейной, так и выполненной из двух участков - криволинейного и прямолинейного (от стержня к тарелке). Галтель клапана выполнена с увеличением диаметра от стержня клапана к тарелке.
Профиль галтели является расчетной величиной и выполнен в соответствии с кривой, каждая точка которой может быть определена парой координат (ха; ra), где x - координата точки профиля галтели, измеренная вдоль оси клапана, начиная от линии сопряжения галтели и тарелки, r - координата точки профиля галтели, измеренная вдоль торцевой поверхности тарелки (радиус галтели), k - порядковый номер точки.
Совокупность точек, образующих кривую профиля галтели расположена между двумя пограничными кривыми (см. фиг. 5 и 6), каждая из которых определена совокупностью N точек (xb, rb) и (xt, rt) соответственно, где
Иначе говоря, пары (xb, rb) и (xt, rt) могут быть описаны при помощи формул
где коэффициенты db, lb, mb, dt, lt, mt взяты из соответствующих строк приведенных выше таблиц.
Сплошной линией на фиг. 5 и 6 показана линия галтели стандартного клапана, пунктирная и штрих-пунктирная с крестиками линии образуют граничные положения линии галтели в соответствии с заявляемым изобретением.
Видно, что пограничные кривые выделяют некоторый объем, внутри которого могут быть расположены линии галтелей впускного клапана.
На фигуре 1 слева показан результат численного моделирования течения через открытый стандартный клапан. Показаны линии тока вблизи галтели клапана, демонстрирующие возникновение обширной отрывной зоны. Справа показаны линии тока в течении через открытый заявляемый клапан, при этом видно, что в течении отсутствует отрыв пограничного слоя и образуется единая звуковая поверхность (черная линия).
Форма удлиненной галтели клапана выбрана таким образом, что на первом участке галтели (А-В на фигуре 1 справа) скорость потока вдоль поверхности клапана почти постоянна, а на втором участке, прямолинейном или близком к прямолинейному, (В-С на фигуре 1 справа) скорость потока монотонно возрастает до величины скорости звука На фиг. 2 видно, как резко возрастает и стремится к 1 число Маха в зоне точки С. Число Маха представляет собой отношение скорости течения потока к скорости звука, поэтому приближение числа Маха к 1 означает достижение скорости звука потоком. Из аэродинамики известно, что отсутствие торможения потока обеспечивает отсутствие отрыва пограничного слоя. Кроме того, при такой структуре течения, расход газа близок к максимально возможному, т.к. он определяется расходом через звуковую поверхность.
Ряд модельных экспериментов по продувке клапанов показал, что специально спрофилированные таким образом клапаны обеспечивают увеличение расхода рабочей среды (газонаполнение) через открытый клапан по сравнению со стандартным известным клапаном при различных величинах хода клапана - вертикального смещения относительно состояния, когда клапан закрывает впускной канал. Результаты измерений для разных величин рабочего хода клапан приведены в Таблице 1. В качестве стандартного клапана использовалась модель, близкая к впускному клапану №406-1007010, изготавливаемому Челябинским автомеханическим заводом. Модель-1, Модель-2 представляют собой спрофилированные клапаны с углом наклона кривой галтели к оси клапана 70° в точке соединения галтели с тарелкой клапана (точка 2 на фигуре 5). Соотношение длины галтели вдоль оси клапана к диаметру тарелки составляет 0,5 для Модели-1 и примерно 1 для Модели-2.
Как видно из Таблицы 1, Модели 1 и 2 демонстрируют увеличение расхода рабочей среды относительно стандартного клапана.
На фиг. 7 показаны графики пограничных кривых, рассчитанных с использованием приведенных формул для R1=3 мм, R2=18 мм. Кроме того, показано расположение двух линий галтели между этими пограничными кривыми, при этом все точки изображенных линий галтели определены в соответствии со следующими таблицами значений:
1-я линия (сплошная с квадратными метками)
2-я линия (пунктирная с треугольными метками)
Из фиг. 7 следует, что обе линии лежат между пограничными кривыми, заданными в заявляемом изобретении. Оба варианта линии галтели обеспечивают повышенное газонаполнение по сравнению со стандартным клапаном. Конкретный вариант исполнения клапана можно выбирать, исходя из дополнительных ограничений: масса клапана, тепловые нагрузки, прочность и т.п.
Предлагаемый впускной клапан функционирует также как стандартный клапан: Клапан приводится в движение газораспределительным механизмом (ГРМ), обеспечивая поступление рабочей среды из подводящего впускного канала в цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Клапан может быть использован совместно с турбонаддувом, в этом случае отношение давления во впускном канале к давлению в цилиндре будет больше, что даст еще больший выигрыш в газонаполнении по сравнению со стандартным клапаном.
Пример конкретного выполнения.
Изготовлен впускной клапан в соответствии с заявленной формулой изобретения.
Диаметр тарелки равен 33 мм, диаметр тарелки клапана 37 мм, высота клапана равна 90.1 мм. Высота конической фаски равна 2 мм, угол наклона ее к оси клапана равен 45 градусов. Угол наклона поверхности галтели к оси клапана в верхней точке конической фаски составляет 80 градусов.
Для облегчения клапана в тарелке выполнена коническая выемка.
Профиль галтели определяется Таблицей 2 точек, при этом R и X представляют собой координаты точки измерения по осям абсцисс и ординат, соответственно. Линия галтели, полученная набором указанных точек расположена между пограничными положениями и соответствует заявленному изобретению.
1. Впускной клапан, выполненный с возможностью установки в впускном канале двигателя внутреннего сгорания (ДВС), представляющий собой единую монолитную деталь, содержащую стержень клапана, галтель клапана и тарелку, имеющую боковую торцевую поверхность и контактную фаску, которая представляет собой усеченно-коническую поверхность с меньшим основанием, имеющим радиус R2, и обеспечивает возможность контакта с седлом клапана ДВС, при этом
стержень клапана выполнен по крайней мере из одного участка с постоянным радиусом, при этом радиус стержня клапана в зоне сопряжения с галтелью равен R1;
галтель клапана выполнена с увеличением диаметра от стержня клапана к тарелке, при этом профиль галтели выполнен в соответствии с кривой, точки которой определены парами координат (ха;rа), где х - координата, измеренная вдоль оси клапана, начиная от линии сопряжения галтели и тарелки, r - координата, измеренная вдоль торцевой поверхности тарелки, начиная от оси клапана, а - порядковый номер точки, при этом совокупность точек (ха;rа), образующих кривую профиля галтели, расположена между двумя пограничными кривыми, каждая из которых определена совокупностью N точек (хb, rb) и (xt, rt) соответственно, где
xb=db*R2,
rb=lb*R2+mb*(R1-0.2*R2),
xt=dt*R2,
rt=lt*R2+mt*(R1-0.2*R2),
при этом для каждого N
2. Впускной клапан по п. 1, характеризующийся тем, что угол наклона криволинейной галтели к стержню клапана в зоне сопряжения галтели и тарелки составляет не менее 60°.
3. Впускной клапан по п. 1, характеризующийся тем, что галтель состоит из криволинейного и прямолинейного участков и выполнена с обеспечением постоянной скорости потока рабочей среды вдоль криволинейного участка галтели и монотонным увеличением скорости вплоть до звуковой вдоль прямолинейного участка галтели.
www.findpatent.ru
Выпускной клапан - элемент газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания. Обеспечивает выпуск отработавших газов из камеры сгорания.
Камера сгорания должна быть герметичной в момент, когда в ней вспыхивает топливо. После того как энергия вспышки израсходована, из камеры необходимо удалить отработавшие газы, заполнить ее воздухом и бензином, и подготовить к новой вспышке. Для удаления выхлопных газов в головке блока цилиндров установлены тарельчатые клапана, обеспечивающие надежную герметизацию камеры сгорания в момент, когда они закрыты.
Выпускные клапаны расположены в головке блока цилиндров. Впуск топливо-воздушной смеси в цилиндр происходит при условии разрежения в камере сгорания, а выпуск – в условиях повышеного давления. Это значит, что после сгорания газы стремятся просочиться наружу, и для их выпуска достаточно открыть клапан. Поэтому, кстати, выпускные клапана всегда меньше, чем впускные - всасывающая сила разрежения уступает силе давления, выталкивающей газы наружу.
Клапанный механизм требует точной регулировки. Если клапан закрывается слишком рано, недогоревшие газы очень быстро сожгут его
Для надежной герметизации камеры сгорания во всех современных двигателях используются тарельчатые клапаны. Преимуществ у такой конструкции несколько. Клапан, состоящий из тарелки, и стержня, прост и надежен, как гвоздь. Переход от фаски к стержню выполнен плавно, что придает клапану необходимую прочность. Кроме того, коническая форма перехода способствует уменьшению сопротивления газов и улучшению герметизации.
Выпускной клапан открывается от усилия кулачка распределительного вала. Возвратно-поступательные движения шток клапан совершает во втулке, запрессованной в головку блока цилиндров.
В головке же находится и седло клапана. По сути, это углубление, чья форма соответствует форме верхней части тарелки. Седло и тарелка с высокой точностью притираются друг к другу. Это исключает прорыв газов из камеры сгорания в момент, когда клапана закрыты.
При появлении первой трещины на тарелке процесс разрушения приобретает характер цепной реакции. Чем больше трещина, тем больше перегрев от прорывающихся наружу струй несгоревшего топлива
Верхняя часть стержня выпускного клапана имеет выточку. В нее устанавливаются "сухари" – разрезанное на две половины коническое кольцо. С их помощью тарелка пружины держится на клапане. Пружина создает усилие, необходимое для возврата клапана в закрытое положение.
Отдельные автомобильные двигатели имеют специальный механизм для принудительного проворачивания клапана. Таким образом обеспечивается равномерный износ детали.
Выпуск отработанных газов происходит в тот момент, когда поршень цилиндра движется от нижней мертвой точки к верхней. Выпускной клапан ДВС работает в условиях повышенной нагрузки. Нагрев головки клапана во время работы двигателя может достигать 800 градусов.
Агрессивные отработанные газы вызывают коррозию выпускных клапанов. Продукты неполного сгорания топлива приводят к прогоранию.
После определенного периода работы тарелка выпускного клапана и седло в головке блока покрываются нагаром.
Высокая температура накаляет нагар. Происходит выжигание опорной поверхности выпускного клапана. Это влечет за собой потерю герметичности. Появляются нарушения в работе двигателя: падает мощность, затрудняется запуск двигателя. В образовавшиеся щели устремляется под давлением струя горячих неотработанных газов. Это еще сильнее нагревает головку клапана. Как результат – деформация головки и разрушение клапана. При разрушении клапана работа цилиндра фактически прекращается.
Чтобы противостоять эрозии от перегрева выпускные клапаны изготавливаются из жаростойкой стали (хромникельвольфраммолибденовая сталь).
При замене разрушенного клапана притирка к седлу - абсолютно обязательна. Если клапан не притереть, его придется менять снова, и очень скоро
Основа сплава, из которого производятся выпускные клапана - никель. Этот металл повышает сопротивляемость клапана к механическому износу. Поскольку выпускной клапан подвергается большей термической нагрузке, чем впускной, он имеет другую структуру. Стержень выпускного клапана делается полым. Внутренняя полость заполняется металлическим натрием. Это необходимо для улучшения теплообмена.
Современные технологии дают возможность дополнительно защитить выпускные клапаны от агрессивного воздействия.
Самый универсальный способ - плазменно-порошковая наплавка. Кроме этого, существуют методы лазерного легирования и наплавки токами высокой частоты. Эти методы защиты увеличивают стоимость детали, но существенно продлевают срок ее службы.
blamper.ru
Для начала расскажу в чем преимущество ГБЦ (головки блока цилиндров) с 4 клапанами на 1 цилиндр в сравнении с 2 клапанами. Расположение двух впускных и двух выпускных клапанов в камере сгорания позволяет увеличить площадь клапана (клапанов), но вопреки тому, что многие считают, это не реальная причина в превосходстве. Для примера, давайте сравним 1.7 литра Lotus/Ford Twin Cam раллийный двигатель (2 распредвала, 4 цилиндра, 8 клапанов). Впускной клапан имеет размер 43 мм (площадь -14.45 см2)
И знаменитый двигатель, разработанный гоночным инженером Кейтом Даквортом (один из основателей компании Cosworth, название Cosworth родилось из объединения фамилий (COStin and duckWORTH). Cosworth являлся подразделением Ford Motor Company, но на данный момент приобретён Джеральдом Форсайтом и Кевином Колховеном).
Раллийный двигатель Cosworth BDA 1.7 литра (2 распредвала, 4 цилиндра, 16 клапанов) Размер впускных клапанов 31 мм, площадь клапанов на впуске составляет 15 см2 – что является очень близко к площади впускного клапана мотора Lotus/Ford Twin Cam (14.5 см2).
Оба двигателя были разработаны для гонок и выдавали максимальную мощность на 8000 оборотах; 190 сил Cosworth и 170 сил Lotus/Ford . В ралли автомобили с двигателем Cosworth были всегда намного быстрее (на любом покрытии) из-за того, что этот мотор имел на 1000 оборотов более широкий диапазон мощности и значительно лучше не только на верхах, но и на низких оборотах. А причина в том, что имея практически идентичную площадь клапанов двигатель Cosworth имеет на 44% больше клапанную щель при любом подъеме клапанов. По этой причине моторы с 4 клапанами на цилиндр используют распредвалы с менее широкой полной фазой (duratoin), а это в свою очередь улучшает средний диапазон без ущерба для максимальной мощности.
Чтобы это лучше понять почему на 44% больше, предлагаю рассмотреть иллюстрацию которая использовалась в посте о распредвалах (Распредвал часть 2)
В первой части мы остановились на геометрии седла клапана.
Геометрия седла клапана
Основной закон – седло впускного клапана, это номер 1, от чего зависит эффективность ГБЦ пока клапан не будет иметь подъем 0.18 (18%) от его диаметра, а на стороне выпуска еще больше, до 0.35 от диаметра выпускного клапана.
Однофасочное седло с углом 45* градусов имеет эффективность 56% при подъеме клапана 6.35 мм. Если выполнить правильную трех-фасочную, четырех или даже пяти-фасочную геометрию седла то эффективность реально повысить до 84% (средние значения от 76% до 84%). Стандарт трех-фасочная геометрия (наиболее популярная) 45* — запорная фаска, 30* — верхняя, соединяет основную фаску с днищем камеры сгорания. Нижняя фаска имеет угол 60* соединят 45* с горлом канала.
На этой схеме указаны размеры, как для впускного, так и выпускного каналов хорошо работающие и дающие великолепный результат. Также указаны оптимальные размеры клапанов (впуск и выпуск). Как вы заметили, на выпуске, запорная фаска седла шире, это необходимо чтобы обеспечить хороший теплоотвод от тарелки клапана. Выпускной клапан при этом имеет более узкую 45* фаску, что необходимо для борьбы с образованием нагара. Переход от запорной фаски седла к каналу осуществляется широкой 60- градусной нижней фаской, многие специалисты используют дополнительно для 4-х – 5-ти фасочной геометрии седла канала еще фаски с углом 75* (80 градусов) которые более плавно соединяют запорную фаску с каналом.
Очень большой положительный эффект на продувку дает дополнительная 30* фаска на клапанах
Очень важно не только угол (об это ниже) но позиция, расположение клапана в седле и ширина запорной фаски
Для впуска многие специалисты любят совмещать седло, как можно выше (в направлении камеры сгорания) с клапаном. На выпуске такое расположение неприемлемо, это сильно ухудшит надежность и может привести к прогару клапана – по центру то что надо.
Ширина запорной фаски, на впускном канале оптимальным является 1.0 мм – 1.55 мм. Более узкая фаска, в основном улучшает продувку канала, но при этом ухудшает прочность, надежность. Выпускные каналы работают при экстремально высоких температурах, поэтому им необходима более широкая запорная фаска, для того чтобы увеличить пятно контакта и лучше отводить тепло через седло канала (оптимальные размеры указаны на схеме).
Для примера привожу результаты которые были получены на сток 1.6 литра двигателе с размером впускного клапана 35.5 мм при проведении выше указанных процедур
Результат – плюс 14 CFM, это даст прибавку в мощности более 10 сил.
Альтернативные углы геометрии седла канала
45* градусов запорная фаска седла впускного клапана наиболее используемая, но часто используют и другие углы. Для примера, если у вас задушен мотор, вам надо больше воздуха (flow) не важно, что результат даст только пиковую мощность на 9000 оборотах – используется угол 50-55*, такой угол дает наилучшую продувку при высоком подъеме клапана т.к. позволяет сделать более плавное соединение с максимально возможно увеличенным горлом канала. Такие углы применяют инженеры при постройки гоночным моторов 358- ci V8 для NASCAR.
Плюсы – максимальные показатели продувки при высоко поднятом клапане, минусы – пиковая мощность и самое главное, чем больше угол (больше 45*) запорной фаски, тем меньше прочность, намного хуже надежность. Для турбо моторов такой вариант ПРОСТО НЕ ПРИЕМЛЕМ из-за высоких температур. Если Вы строите мотор рассчитанный на высокие обороты, то лучшие результаты (из-за реверса потока воздуха) дает верхняя (top cut) фаска не 30*, а 38* градусов
Если ваш мотор очень голодный до воздуха или вы желаете существенно улучшить характеристики ГБЦ не на высоких оборотах, то есть хороший вариант – использовать 30⁰ запорную фаску на седле впускного клапана. Предлагаю этот вариант рассмотреть более подробно
Как видно из рисунка, при одинаковом подъеме, клапанная щель при использовании запорной фаски с углом 30* больше, а значит и количество воздуха будет поступать больше (а это то, что надо для повышения момента). Такое улучшение на впуске мы имеем в плоть до подъема клапана 7.5 мм, максимальная прибавка составляет более 20% при подъеме клапана 1.25-2.5 мм. Такая геометрия дает эффект, при малых подъемах клапана, более большого канала (и конечно и размера клапана) но только при этом низы и середина не ухудшается, а только улучшается.
Это похожий эффект, как при использовании распредвала с большим подъемом, как вы помните я описывал, что сам по себе подъем кулачка не увеличивает максимальное значения проходящего потока воздуха при подъеме выше 0.25 от диаметра клапана, но сильно увеличивает наполнение при малом подъеме. Происходит это за счет увеличения скорость подъема клапана и не более.
Встречается много серийных машин с такой геометрией седла клапана, да, наверное, все дизельные двигателя работают на такой геометрии, но встречаются и бензиновые моторы. На первый взгляд это все кажется просто, но на самом деле есть и сложности (решаемые).
С одной стороны, чем меньше угол, тем лучше клин, который улучшает герметичность пары седло-клапан, но при этом, чем более плоское седло, тем больше проявляется тенденция, что клапан на высоких оборотах начнет отпружинивать при закрытии. Однозначно, чем более плоский угол запорной фаски седла канала, тем лучше продувка, наполнение (flow) при небольших подъемах клапана, но без серьезного изучения этого вопроса ситуация может только ухудшится при использовании распредвалов с подъемом кулачка выше 12 мм. Если ваша цель высокие обороты (8000+++) и распредвал с высоким подъемом кулачка 12.5++мм – 50*-55* градусов угол запорной фаски решит проблему отпружинивания клапана и как следствие больше мощность.
На данной картинке указано схематично, как сделать седло впускного канала с углом 30*
Такая геометрия седла впускного клапана дает потрясающие результаты на продувочном стенде, но скорее всего возникнут проблемы с герметичностью (клапан-седло) на оборотах намного выше 5000. Особенно это проявляется на высоко форсированных моторах, которые испытывают проблему с высокой температурой клапана при максимальных нагрузках и как следствие деформация (изгиб клапана при закрытии в следствии его расширения). По этой причине такую геометрию не рекомендуется использовать на выпускном седле клапана.
Есть несколько вариантов решения этой проблемы (ВЫСОКАЯ температура клапана, расширение –деформация). Один из вариантов нанести на лицевой стороне тарелки впускного клапана канавку. Вот вариант как это сделать
Так же не будет лишним использовать клапанные пружины на 10% жестче, чем необходимо для седла с углом 45*. При использовании такого метода David Vizarrd's – известный американский спец в области постройки гоночных моторов (кстати, он проводит очень полезные семинары, как готовить ГБЦ) делал великолепные гоночные моторы.
Другой вариант – использование специального термо покрытия на клапана, которое снижает температуру последнего (значительно)
Вообще, проблема с клапанами при высокой температуре частое явление даже на сток моторах, особенно турбо версии. При их тюнинге, часто этот вопрос остается забытым, а это не только деформация и как следствие плохая герметичность, пропуски зажигания, детонация, такое часто встречается к примеру на европейских моторах VAG 2.0 turbo TSI – накачав мотор супер прошивками от Брендовых тюнерских фирм, но при этом не позаботившись об охлаждении воздуха, мотора и т.д. как решение пытаются эту проблему решить заменой клапанных пружин на более жесткие. Ну да ладно, это у же не по теме
Тюнинг ГБЦ часть 3
Автор: Владимир Шарандин
enginepower.pro
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В четырехтактных бензиновых и дизельных двигателях клапаны располагаются в головке цилиндров. Через впускные клапаны проходит только смесь воздуха и топлива, поэтому они подвергаются воздействию более низких температур, чем выпускные клапаны. У впускного клапана тарелку делают большего диаметра, чем у выпускного, так как давление на впуске меньше давления на выпуске. Двигатели разных моделей отличаются количеством клапанов. Двигателям с двумя и более впускными клапанами свойственно лучшее наполнение цилиндров. Дополнительный впускной клапан увеличивает проходное сечение впускных каналов, следовательно, в цилиндр поступает больше топливовоздушной смеси. То же самое касается и выпускных клапанов: два клапана на выпуске позволяют увеличить выпускные каналы, что облегчает выход отработавших газов из цилиндра. Клапан подвергается очень значительным нагрузкам даже при нормальном режиме работы двигателя. Для повышения стойкости клапана к износу, прожиганию и коррозии его поверхность подвергается специальной обработке. Так, например, впускные клапаны изготавливаются из стали с хромом или кремнием для повышения их износостойкости и коррозионной стойкости или магния и никеля для повышения прочности. Выпускные клапаны сделаны из сплавов на основе никеля. Клапан состоит из двух частей: стержня и тарелки. Клапан установлен в отверстии в головке цилиндров. Тарелка плотно прилегает к седлу. В процессе работы головка цилиндров нагревает седло. Часть тепла передается стержню клапана, а от него — направляющей втулке, поэтому стержень является самой холодной частью клапана. Седло клапана и направляющая втулка охлаждаются жидкостью, протекающей по рубашке вокруг впускных каналов. Открываясь и закрываясь, клапан поворачивается на небольшой угол, поэтому каждый раз он садится на новое место.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Благодаря этому на фаске и седле клапана не оседает нагар. Кроме того, это предотвращает заклинивание клапана в направляющей втулке и равномерно распределяет тепло по всему седлу. Клапан перемещается в направляющей втулке и полностью концентричен седлу. Направляющая втулка представляет собой полую цилиндрическую деталь. Сначала в головке блока цилиндров сверлятся отверстия, а затем в них запрессовываются направляющие втулки. В головку цилиндра из алюминиевого сплава необходимо вставить чугунные направляющие втулки, в противном случае добиться необходимой контактной поверхности для стержня клапана будет невозможно. В большинстве двигателей используются сменные направляющие втулки, запрессованные в отверстия в головке цилиндров. В некоторых двигателях направляющие втулки отлиты в головке цилиндров. Затем в них просверливается отверстие, соответствующее диаметру стержня клапана. В верхней части направляющей втулки имеется маслоотражательный колпачок. Клапанная пружина обеспечивает закрытие клапана и плотное прилегание тарелки к седлу для предотвращения утечек газов. Используются клапанные пружины двух типов: пружины с переменным шагом навивки и двойные пружины.
poznayka.org
Впускные клапаны двигателей СМД-14 (деталь № СМД14-0604, рис. 61,а) и двигателей СМД-7 (деталь № СМД 1-0604, рис. 61,б) изготавливают из стали 40ХН; твердость тарелки клапана и стержня НВ 269?311.
Торец клапана подвергают закалке и отпуску до твердости не менее НRС 40 на глубину не более 4 мм с постепенным снижением твердости закаленного слоя до твердости остальной части стержня.
Выпускные клапаны двигателей СМД-14 (деталь № СМД14-0607, рис. 62,а) и двигателей СМД-7 (деталь № СМД7-0607, рис. 62,б) работают в условиях высоких температур и корродирующего действия горячих газов, поэтому их изготовляют сварными: тарелку — из жаростойкой стали Х9С2, а стержень — из стали 40ХН.
Твердость термически обработанного клапана НВ 269—311.
Дефекты, при которых клапаны подлежат восстановлению:
1. износ рабочей фаски. Высота цилиндрической кромки должна быть не менее 0,5 мм;
2. износ торца стержня до длины не менее 156,5 мм;
3. износ поверхности стержня до диаметра не менее 10,69 мм у впускного и 10,64 у выпускного;
4. изгиб стержня не более 0,05 мм на длице 100 мм;
5. износ поверхности выточки под сухарики.
Клапаны двигателей СМД выбраковывают при:
1) диаметре стержня клапана менее 10,69 мм у впускного и 10,64 мм у выпускного клапанов;
2) высоте цилиндрического пояска тарелки менее 0,5 мм;
3) подгорании тарелок клапанов;
4) изгибе стержня более 0,05 мм;
5) наличии усталостных трещин.
Восстановление рабочей фаски клапана
Восстановление рабочей фаски клапана производят шлифованием поверхности фаски до выведения следов износа на станке ОПР-723 (СШК-3) шлифовальным кругом ПВ 100?25?20, ЭБ-25-40 С1-С2К. Коническая поверхность фаски должна быть чистой, без задиров, черновин, рисок и граненности. Биение фаски относительно образующей стержня не должно превышать 0,05 мм, что проверяется на специальном приспособлении при помощи индикатора часового типа пределом измерения 0—10 мм.
Восстановление торца стержня клапана
Восстановление торца стержня клапана производят шлифованием поверхности торца до выведения следов износа на станке ОПР-723 (СШК-3). Шлифование ведут с обильным охлаждением содовым раствором, чтобы не допустить отпуска закаленной части торца стержня. После шлифования на торце снимают фаску 1 ±0,5?45°. Чистота поверхности торца стержня должна соответствовать 8-ну классу. Наличие рисок и следов износа не допускается. Плоскость торца стержня клапана должна быть перпендикулярна к образующей стержня. Допускается односторонний просвет на торце до 0,05 мм по лекальному плоскому угольнику 160 ? 160 мм.
Биение торца стержня относительно цилиндрической поверхности стержня допускается не более 0,05 мм на крайних точках.
Восстановление поверхности стержня клапана
Восстановление поверхности стержня клапана производят шлифованием поверхности стержня на бесцентрово-шлифовальном станке 3184 до ремонтного размера при наличии направляющей втулки клапана ремонтного размера.
Для стержня впускного клапана ремонтный размер диаметра составляет 10,8-0,030 -0,055мм, для выпускного 10,8-0,060 -0,085 мм.
Если направляющих втулок ремонтного размера нет, поверхность стержня клапана восстанавливают хромированием или железнением.
Хромировать поверхность стержня клапана целесообразно до диаметра 11,1 мм в ванне с электролитом следующего состава:
Электролитическое осталивание рекомендуется производить до диаметра 11,15 мм в ванне с электролитом следующего состава:
Примечание. При осталивании плотность тока увеличивают до номинальной в течении 10 минут. Поверхность деталей должна быть гладкой, серовато-матового оттенка с ясно выраженной сеткой трещин, без вздутий и признаков отслоений.
После электролитического наращивания поверхности стержня поверхность шлифуют до нормального размера (см. рис. 61, 62). Отклонение поверхности стержня от прямолинейности после шлифования должно быть не более 0,015 мм на длине 100 мм.
Восстановление прямолинейности стержня
Восстановление прямолинейности стержня в случае его изгиба рихтовкой не дает положительных результатов. Небольшой изгиб стержня устраняют шлифованием под ремонтный размер или под электролитическое наращивание. Если изгиб стержня клапана устранить указанным методом невозможно, клапан выбраковывают.
Восстановление выточек под сухарики
Восстановление выточек под сухарики производят зачисткой и полировкой изношенной поверхности.
В клапанах двигателя СМД-14 необходимо, чтобы кромки выточки были острыми. Поверхность выточки должна быть чистой, гладкой, без повреждений.
vdvizhke.ru
Любой современный автомобиль — конструкция, состоящая из большого количества деталей, проводов и электроприборов, которые контролируют и обеспечивают работоспособность всех узлов, агрегатов, систем. Сердцем каждой машины является двигатель внутреннего сгорания. Он представляет собой сложный механизм, который предназначен для переработки тепловой энергии в механическую, чтобы обеспечивать движение транспортного средства.
ДВС имеет множество элементов, от полноценной работы которых зависит очень многое, поэтому даже такие, вроде бы мелкие, детали, как клапаны двигателя играют большую роль в его функционировании. Без них двигатель очень быстро потеряет всю свою ресурсоспособность.
На всеукраинской торговой площадке zakupka.com вы найдете огромное множество предложений и широкий ассортимент самых разных товаров и услуг для автомобилистов. Нужна вам крышка двигателя, инжектор или новое масло — в нашем каталоге найдется все. Вас ждут выгодные покупки, умеренная цена, функциональный поиск и отличный сервис.
Клапаны не попадают в категорию расходников, однако, обязательно потребуют замены, если была проведена неправильная регулировка или при полном ее отсутствии. Перед тем как купить недостающую запчасть, особенно для двигателя, необходимо детальнее ознакомиться с инструкцией к своему автомобилю. Такая рекомендация обуславливается тем, что, например, на Рено и ВАЗ однозначно стоят разные двигатели, которые в целом имеют аналогичную сборку, но наделены некоторыми различными характеристиками.
Впускные и выпускные клапаны двигателей внутреннего сгорания автомобилей, как правило, имеют тарельчатую форму. Эксцентриковый кулачок управляет специальным клапанным механизмом, посредством которого открывается сам клапан. Устройство и его работа непосредственно связаны с положением поршня и периодом вращения коленвала.
В свою очередь, направляющая втулка, которая располагается рядом с седлом клапана, обеспечивает герметичный газонепроницаемый контакт между седлом и рабочей фаской. Эти два элемента скошены под углом в тридцать или сорок пять градусов. Данные значения являются номинальными, поэтому фактические зачастую отличаются на один-два градуса. К седлу клапан прижимается под действием пружины, которая удерживается на штоке своей опорной тарелкой, законтренной замком на стержне.
Между различными геометрическими параметрами клапанов двигателей существует оптимальное соотношение. Для двигателей, в которых цилиндры имеют внутренний диаметр от трех до восьми дюймов (80-200 мм) оптимальным диаметром головки впускного клапана будет тот, который составляет примерно 45%, а оптимальным диаметром выпускного клапана — приблизительно 38% внутреннего диаметра самого цилиндра.
Впускной клапан обязательно должен иметь больший размер, чем выпускной, поскольку он не только пропускает ту же массу газа, а также управляет низкоскоростным потоком разреженного газа. Одновременно с этим, выпускной клапан управляет потоком сжатого газа, с которым справится клапан меньшего размера. Таким образом, диаметр головки выпускного составляет около 85% диаметра впускного. Кроме того, для полноценного функционирования диаметр головки клапана должен составлять от 100% до 115% диаметра клапанного окна, ведь сам клапан должен быть достаточно большим, чтобы перекрыть окно. А высота подъема клапана над седлом будет составлять практически 25% диаметра головки.
Если после остановки двигателя сразу происходит попадание холодного воздуха на горячие выпускные клапаны, это может привести к их серьезному повреждению. В тех ДВС, которые оснащены выпускными коллекторными головками, а также прямоточными глушителями, холодному воздуху всегда открыт прямой доступ до выпускных клапанов. Резкое охлаждение, как правило, вызывает коробление либо в клапане начинают образовываться трещины. Для устранения рисков возникновения подобных проблем существуют противоточные глушители с длинными выхлопными трубками и нейтрализаторами отработавших газов.
grantaliftback.ru
Для осуществления в двигателях рабочих циклов, непрерывно следующих один за другим, необходимо в определенные моменты подавать в рабочий цилиндр свежий заряд и удалять из него отработавшие газы.
Эти функции выполняют органы газораспределения. В четырехтактных двигателях газораспределение состоит из клапанов (впускных и выпускных), клапанных рычагов и толкателей, распределительного вала с сидящими на нем кулачковыми шайбами, передаточных зубчатых колес и промежуточных валов. В большинстве двухтактных двигателей органами газораспределения являются окна в цилиндровой втулке (выпускные и продувочные), закрытие и открытие которых производится поршнем. Могут применяться вспомогательные клапаны, расположенные по пути воздуха к каким-либо окнам, или же клапаны в крышке цилиндра, заменяющие собой выпускные окна. При наличии клапана в крышке двухтактный двигатель должен быть снабжен и соответствующим клапанным приводом.
Общее понятие о работе клапанов было дано выше. Они работают в условиях периодической ударной нагрузки, а также высоких температур (особенно выпускные клапаны). Поэтому обычно клапаны отковываются из высококачественной жароупорной стали (хромоникелевой, вольфрамовой, ванадиевой и др.).
На фиг. 96 представлен впускной клапан в собранном виде, вставленный в цилиндровую крышку. Он состоит из корпуса 11 с направляющей втулкой 4, штока 3 с тарелкой 1, гнезда 13 и пружины 10. При такой конструкции клапан в собранном виде вставляется в отверстие крышки 12 и крепится к ней при помощи фланца и шпилек.
Клапаны открываются внутрь рабочих цилиндров. Этим достигается большая плотность клапанов, прижимаемых рабочими газами. Гнезда для возможности замены в случае коробления иногда выполняют отдельно от корпуса клапана. Съемное гнездо прижимается корпусом к кольцевому выступу крышки цилиндра.
Особенностью указанного на фиг. 96 клапана является наличие козырька 2, назначение которого для бескомпрессорного дизеля рассматривалось выше. Козырек может быть установлен в наивыгоднейшее положение даже во время работы двигателя следующим образом: отпускается гайка 9, приподнимается рычажок 8 и шток клапана поворачивается ключом за квадрат на его конце. По достижении требуемого положения рычажок 8 опускается и прижимается гайкой 9; клапан более не может повернуться, так как рычажок своим хвостом 7 входит в выточку в рычаге 6, открывающем клапан при работе дизеля.
Для облегчения выемки клапанов иногда применяются отжимные винты 5, которые, будучи ввинчены во фланец со сквозным отверстием, упираются в верхнее днище крышки и отжимают клапанный корпус.
Выпускной клапан по своей конструкции мало чем обличается от впускного. Высокая температура отработавших газов, с которыми соприкасается выпускной клапан, вызывает коробление тарелки с плоским основанием. Поэтому нижнее основание выхлопного клапана выполняется утолщенным посредине с утонением к краям. В маломощных двигателях тарелка клапанов изготовляется заодно со шпинделем. В больших двигателях тарелки клапанов иногда изготовляют отдельно от шпинделя. Тарелка может, например, навинчиваться на шпиндель, после чего последний расклепывается. Для устранения прогорания выпускных клапанов может быть применено водяное охлаждение корпуса, а в некоторых случаях и самих выпускных клапанов (фиг. 97).
Обычно в цилиндре устанавливаются два клапана — впускной и выпускной. У быстроходных двигателей устанавливаются для увеличения суммарного проходного сечения обычно по два впускных и выпускных клапана. В некоторых двигателях клапаны попеременно служат для впуска и выпуска. Это хотя и усложняет конструкцию клапанов и их привод, но облегчает условия работы клапанов вследствие периодического охлаждения их засасываемым воздухом; кроме того, обдуваемое гнездо очищается от нагара.
У некоторых двухтактных двигателей требуется установка клапана, регулирующего подачу продувочного воздуха. Это автоматически действующий пластинчатый клапан (фиг. 98), состоящий из чугунного корпуса, который крепится шпильками к цилиндру в ресивере 1, чугунных или бронзовых фигурных коробок 2, стянутых двумя крышками 3 и болтами. На фиг. 98 справа показана нижняя часть клапана. Каждая коробка имеет пластинчатый диск 4. Действие клапана основано па разности давлении в цилиндре и ресивере. Когда давление в цилиндре меньше, чем в ресивере, пластинчатые диски приподымаются; когда же давление в цилиндре превзойдет давление продувочного воздуха или когда поршень закроет продувочные окна, диски опустятся на свои гнезда фигурных коробок и ресивер будет разобщен от цилиндра.
Для нормальной работы двигателя моменты открытия и закрытия клапанов, окон, действия приборов зажигания или топливо подач и, иначе — фазы газораспределения, устанавливают таким образом, чтобы обеспечить наилучшую очистку цилиндра от продуктов сгорания и наиболее полное заполнение его свежим зарядом. Взаимосвязь между фазами (моментами) газораспределения обычно для наглядности изображается спирально построенной круговой диаграммой. Она представляет собой графическое изображение пути оси шейки мотыля с показом тех положений радиуса мотыля, которыми характеризуются фазы газораспределения. Отсчет углов поворота мотыля производят от или до ближайшей мертвой точки.
На фиг. 99 дана круговая диаграмма четырехтактного дизеля.
а) Открытие впускного клапана (О. вп.) устанавливают с опережением, т. е. до прихода поршня в в.м.т. Это делается для того, чтобы к началу хода поршня вниз клапан был уже достаточно открыт и не создавал большого сопротивления проходу всасываемого воздуха. На круговой диаграмме видно, что начало впуска воздуха совпадает с концом выпуска отработавших газов, при котором, как говорилось, эти газы своей инерцией создают некоторое разрежение над поршнем. Поэтому начавший открываться еще до прихода поршня в в. м. т. впускной клапан создает условие для частичного подсоса воздуха, который несколько продувает пространство над поршнем, уменьшая количество остаточных газов, а следовательно, обеспечивая лучшее наполнение цилиндра свежим воздухом.
Опережение впуска устанавливается от 5 до 30° поворота мотыля до в. м. т. (угол а на диаграмме).
б) Закрытие впускного клапана (3. вп.) делается с запаздыванием, т. е. после прохода поршнем н. м. т. Нужно это для того, чтобы к концу всасывающего хода поршня клапан был достаточно открыт и не создавал большого сопротивления проходу воздуха в цилиндр. Помимо этого, к концу хода всасывания и в начале хода сжатия давление в цилиндре продолжает быть меньше атмосферного, почему заполнение цилиндра воздухом продолжается и тогда, когда поршень начнет уже двигаться вверх. Таким образом, при запаздывании закрытия впускного клапана в цилиндр может поступать дополнительная порция воздуха, чему также способствует инерция воздуха во всасывающей трубе. Угол запаздывания ? впускного клапана составляет 18—50° после н. м. т.
в) Подача форсункой распыленного топлива в цилиндр двигателя (О. Ф.) производится с опережением, т.е. до в.м.т., с учетом периода задержки воспламенения. Предварение начала впрыскивания регулируется с таким расчетом, чтобы сгорание развивалось к моменту прохода поршнем в.м.т. Слишком большое предварение впрыска может вызвать начало интенсивного сгорания ранее прихода поршня в в.м.т., что вызовет преждевременное резкое повышение давления, а чрезмерно малое предварение впрыска может вызвать слишком позднее начало сгорания, что снизит эффективность рабочего хода. Угол опережения впрыска ? топлива подбирается опытным путем и находится примерно в пределах 15—30° до в. м. т.
г) Открытие выпускного клапана (О. вып.) назначается до прихода поршня в н. м. т. Это опережение выпуска составляет ? ? = 40 ? 60° поворота мотыля до н.м.т. Делается это для того, чтобы к началу хода выпуска (с н.м.т.) давление в цилиндре успело почти уравняться с атмосферным и открытие клапана уже было бы полным. Этим предотвращается создание слишком большого противодавления при выталкивающем ходе поршня. В конечном счете, опережение открытия выпускного клапана имеет целью уменьшить работу, затрачиваемую па выталкивание отработавших газов из цилиндра.
д) Закрытие выпускного клапана (3. вып.) обычно делают с запаздыванием, т. е. после прохождения поршнем в. м. т. Это осуществляют для того, чтобы в конце выпуска открытие клапана было еще достаточным и не создавало большого сопротивления выпуску. Однако запаздывание закрытия является не столь важным, как опережение открытия выпускного клапана. Объясняется это тем, что к моменту прихода поршня в в. м. т. скорость его быстро замедляется, а газы в выхлопной трубе продолжают по инерции двигаться со столь большой скоростью, что в пространстве над поршнем может получиться даже разрежение; таким образом создаются благоприятные условия для очистки цилиндра от отработавших газов.
Угол запаздывания ? берется 0—25° после в.м.т. Закрывать выхлопной клапан ранее прихода поршня в в.м.т. нельзя, так как при этом получится сжатие остатках отработавших газов и они устремятся в открывающийся в это время впускной клапан.
Все фазы газораспределения не могут быть одинаковыми для всех типов двигателей. Они подбираются опытным путем и зависят главным образом от быстроходности двигателей, величины проходного сечения клапанов и объема рабочего цилиндра. Все углы опережения и запаздывания, открытия и закрытия клапанов, вообще говоря, берутся тем больше, чем быстроходнее двигатель и чем меньше сечение клапанов.
Круговая диаграмма газовых и карбюраторных двигателей (а следовательно, и фазы их газораспределения) в основном сходна с только что рассмотренной. Однако момент начала открытия впускного окна может здесь происходить с запаздыванием (за в.м.т.). Объясняется это тем, что при наличии опережения открытия впускного клапана начало его открытия совпадает с движением поршня к в.м.т. В случае ненормального состава смеси, или если двигатель быстроходный, процесс догорания иногда продолжается и в период выпуска; пламя догорания через начавшийся открываться с опережением впускной клапан попадает в трубопровод горючего газа, или смесительный клапан, или в карбюратор и вызывает взрыв, могущий произвести разрушения.
Кроме этого отличия, в круговой диаграмме указанных двигателей вместо момента начала действия форсунки будет указан момент зажигания смеси.
Фазы газораспределения двухтактных двигателей могут также быть изображены на круговой диаграмме. Они зависят от принятого типа продувки и расположения окон.
На фиг. 100 дана примерная круговая диаграмма двухтактного дизеля без наддува. Здесь начало подачи топлива осуществлено с опережением на 17° поворота мотыля до прихода поршня в в. м. т.. За 68° до н. м. т. поршень, двигаясь вниз, открывает выпускные окна, и расширившийся отработавший газ начинает выпускаться; продолжающий опускаться поршень на 52° до п. м. т. открывает впускные (продувочные) окна, и происходит продувка с заполнением цилиндра свежим воздухом. При движении поршня вверх впускные окна закрываются через 52° после п. м. т., выпускные — через 68° после и. м. т.
Клапаны газораспределения получают движение от привода. Основной частью приводного механизма является распределительный вал, на котором закреплены шайбы с выступами — кулаки. Работа распределительного вала основана на периодическом воздействии на клапаны посредством качающихся рычагов или толкающих штанг.
На фиг. 101 дан один из вариантов взаимосвязи распределительного вала с клапаном. При вращении распределительного вала 1 сидящий жестко па нем кулак 2 своим выступом 3 набегает на ролик 4 двуплечего рычага 5; вследствие этого ролик приподнимается, а другой конец рычага опускается на шток клапана и, преодолевая натяжение пружины 6, открывает клапан. При дальнейшем повороте распределительного вала ролик сходит с выступа кулака, правый конец рычага опустится, а левый поднимается, и под действием пружины клапан закроется. Ось рычага крепится в кронштейнах крышки цилиндра и смазывается через специальное отверстие.
Число оборотов всякого распределительного вала четырехтактных двигателей должно быть вдвое меньше, чем коленчатого, так как цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала. У двухтактных двигателей, имеющих выпускные клапаны в крышках цилиндров, число оборотов распределительного вала должно быть равно числу оборотов коленчатого вала, так как цикл соответствует одному обороту этого вала.
В дизелях распределительный вал приводит также топливные насосы, что значительно увеличивает нагрузку на вал. Для удобства монтажа распределительный вал часто изготовляют разъемным. Материалом обычно служит сталь, идущая на изготовление коленчатого вала.
Кулачки на распределительном валу должны устанавливаться соответственно расположению клапанов. Количество их для четырехтактных двигателей должно быть равным числу клапанов: впускных, выпускных, форсуночных (у компрессорных дизелей) и числу приводов топливных насосов (у бескомпрессорных дизелей). Кулаки (фиг. 102, а) на распределительный вал насаживаются на шпонках, а для предотвращения осевого смещения имеют установочные болты. Кулачки отковывают из малоуглеродистой стали и после механической обработки подвергают поверхностной закалке для повышения износоустойчивости.
В крупных тихоходных двигателях кулаки изготовляют из отбеленного чугуна. Иногда (у быстроходных двигателей) кулаки отковываются вместе с распределительным валом, составляя с ним одно целое.
Профиль выступающей части кулака зависит от необходимых фаз газораспределения, передаточного числа клапанного привода и делается по специальному расчету. Высота выступа кулака должна соответствовать величине хода клапана с учетом соотношения плеч рычага. Чаще всего выступы делаются как одно целое с цилиндрической частью кулака, но иногда, например, для привода форсунки компрессорного дизеля или топливного насоса некоторых бескомпрессорных дизелей, выступы делаются съемными (фиг. 102, б).
В зависимости от расположения распределительного вала и конструкции двигателя передача движения к клапанам может осуществляться от рычагов или, при низком расположении распределительного вала, от рычагов с толкателями (фиг. 103). Рычаги изготовляются из стали или чугуна и в сечении чаще всего имеют двутавровую форму.
В некоторых двигателях с клапанами, открывающимися вверх, толкателями служат штоки, являющиеся продолжением стержня клапана и опирающиеся на кулаки распределительного вала (фиг. 104).
Сам распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала различными способами в зависимости от конструкции двигателя, его мощности, числа оборотов, места расположения распределительного вала и пр. Чаще всего привод распределительного вала осуществляется посредством шестеренчатой передачи, размещенной в торцовой части двигателя. Высокая техника обработки зубчатых колес в последнее время позволила значительно повысить коэффициент полезного действия зубчатых передач. На фиг. 105 показано расположение приводных шестерен распределительного вала у четырехтактного дизеля. На коленчатом валу жестко сидит шестерня 1, соединенная с большой передаточной шестерней 3, вращающейся на оси 2, закрепленной при помощи фланца к цилиндровому блоку. К этой шестерене болтами 4 крепится малая передаточная шестерня (на фигуре ее не видно), приводящая в движение шестерню 5 распределительного вала 6 и шестерню 7; последняя соединена болтами с конической шестерней 8, служащей для передачи вращения центробежному регулятору. Вся эта передача закрыта общим кожухом.
Недостатком шестеренчатой передачи является значительный шум при работе. В крупных тихоходных двигателях при высоком расположении распределительного вала иногда применяется бесшумная передача движения роликовыми цепями; при этом для увеличения угла охвата звездочек цепью и натяжения ее при вытяжке требуется натяжное устройство.
На фиг. 106 дана схема передачи от коленчатого вала к распределительному с помощью промежуточного, часто называемого регуляторным, вала. Число его оборотов обычно равно числу оборотов коленчатого вала, что позволяет его использовать для установки регулятора.
vdvizhke.ru
