Механізм газорозподілу (ГРМ)

1. Робота клапанного механізму газорозподілу.

2. Діаграма газорозподілу.

3. Деталі клапанного ГРМ.

4. Декомпресійний механізм.

1. Механізм газорозподілу призначений для керування впуском у циліндри двигуна паливної суміші (або повітря в дизелі) і випуском із них відпрацьованих газів.

Процес газообміну в циліндрах двигуна виконується через впускні і випускні отвори, які механізм газорозподілу відкриває і герметично закриває відповідно до встановленого порядку роботи циліндрів двигуна, з'єднуючи порожнини циліндрів то з впускним, то з випускним трубопроводами.

Механізм газорозподілу, кінематично зв’язаний із колінчастим валом та ланками передаючих пристроїв, рухається синхронно з ним.

У двигунах внутрішнього згоряння, залежно від способу ущільнення впускних і випускних отворів циліндрів, розрізняють золотникові, клапанні та комбіновані механізми газорозподілу. На автомобільних і тракторних чотиритактних двигунах застосовуються клапанні механізми газорозподілу.

Конструкція клапанних механізмів газорозподілу залежить від розміщення клапанів (рис. 21) у блоці циліндрів (нижньоклапанні) або в головці (верхньоклапанні механізми) та їх кількості; розміщення розподільного вала (у блоці циліндрів або на головці); типу штовхачів (тарілчасті, циліндричні, роликові, важільні); конструкції коромисел (одно- або двоплечні важелі); числа і типу пружин (циліндричні, конічні, торсійні тощо); типу привода механізму газорозподілу (зубчаста передача прямого зчеплення або з проміжними шестернями, ланцюгова, ремінна або комбінована передача).

У чотирьохтактних двигунах застосовують клапанні механізми газорозподілу, клапани яких закривають і відкривають впускні і випускні отвори.

Розрізняють два типи клапанних механізмів газорозподілу: а) з підвісними клапанами, розміщеними в головці циліндрів; б) з боковими клапанами, розміщеними в блок-картері.

У двохтактних двигунах газорозподіл може відбуватись двома способами: а) кривошипно-шатунним механізмом (всі вікна перекриваються поршнем); б) змішаною системою (повітря поступає через вікна, які перекриває поршень, а відпрацьовані гази виділяються через клапанний отвір).

а                                                 б

Рис. 21. Схема клапанних механізмів газорозподілу: а – механізм з верхнім розміщенням клапанів; б – механізм з нижнім розміщенням клапанів; 1 – шестірня колінчастого вала;     2 – проміжна шестірня; 3 – клапан; 4 – напрямна втулка клапана; 5 – пружина клапана; 6 – упорна тарілка клапана; 7 – коромисло; 8 – вісь коромисла; 9 – контргайка;           10 – регулювальний гвинт; 11 – штанга; 12 – штовхач;     13 – кулачок розподільчого вала; 14 – шестірня розподільчого вала

Отже, робота газорозподільчого механізму побудована на перекритті отворів клапанами. Переміщення клапанів у гніздах здійснюється за допомогою деталей передачі від КШМ (через шестерні, ланцюги, паси) до валу газорозподілу, далі через штовхач, штангу, коромисло. Конструкція валу газорозподілу передбачає на його поверхні кулачки, які відіграють головну роль під час роботи механізму газорозподілу. При набіганні кулачка на штовхач, зусилля передається через відповідні деталі до плеча коромисла і воно змінює своє положення. Відповідно іншим плечем коромисло діє на клапан. Таким чином відбувається відкриття отвору. Після зняття навантаження у зворотньому напрямі клапан рухається під дією пружини або декількох пружин.

Для того, щоб зміна розмірів при нагріванні деталей механізму газорозподілу не порушувало щільної посадки клапана в гнізді, між торцем стержня клапана і бойком коромисла при підвісному розміщенні клапанів або між торцем стержня клапана і штовхачем при боковому розміщенні клапанів існує зазор, який ще називають тепловим. На холодному двигуні у впускних клапанах такий зазор складає 0,15…0,40 мм, у випускних 0,20 …0,45 мм.

Протягом одного робочого циклу чотирьохтактного двигуна проходить одне відкриття впускного і випускного клапанів. Для цього розподільний вал повинен зробити за цикл один оберт, тому привод розподільного валу має передаточне відношення 1:2. У двохтактних двигунах розподільний вал обертається з тою ж частотою, що і колінчастий, тобто відношення становить 1:1.

За рівних умов наповнення циліндрів двигуна з підвісними клапанами більше, ніж з боковими, оскільки у першому випадку потік повітря або горючої суміші, які поступають в циліндр, не змінюють різко свого напрямку. Використання підвісних клапанів дозволяє зробити камеру згоряння більш компактною, що знижує теплові витрати через її стінки, і відповідно зменшує питому витрату палива.

У вітчизняних автотракторних двигунах використовуються механізми газорозподілу з підвісними клапанами і тільки на окремих з боковими.

2. Кругові діаграми газорозподілу побудовано так, що впускні і випускні клапани відкриваються і закриваються у певний момент часу, який визначається профілем кулачків розподільного валу, встановленням його по відношенню до колінчастого, зазорами між клапанами і штовхачами або коромислами. При цьому їх відкриття чи закриття відбувається не в ті моменти, коли поршень міститься у мертвих точках, а з деяким випередженням при відкриті чи запізненням при закриті.

Періоди від моменту відкриття клапанів до моменту закриття (або вікон у двохтактних двигунах), виражені в градусах повороту колінчастого валу, називаються фазами газорозподілу. Їх можна виразити у виді кругової діаграми (рис. 22). Фази газорозподілу залежать в основному від швидкісних характеристик двигуна. Чим вища номінальна частота обертання колінвала, тим більші кути фаз газорозподілу.

У всіх двигунах є період, коли впускні і випускні клапани відкриті одночасно. Його називають перекриттям клапанів. Значення кута перекриття коливається в межах від 16° до 78°. Втрати при цьому незначні.

Рис. 22. Діаграми газорозподілу: а – дизелів А-41 і А-01 М;              б – двигуна ГАЗ-53

Найвигідніші фази газорозподілу для кожного двигуна встановлюються експериментально. Правильне встановлення фаз газорозподілу двигуна досягається при його збиранні чи регулюванні суміщенням спеціальних міток на шестернях колінчастого і розподільчого вала.

3. Деталі клапанного механізму газорозподілу з верхнім розміщенням клапанів показано на рис. 23.

Клапани, які перекривають впускні і випускні отвори, мають обмежені розміри. Працюють клапани в умовах високих температур і динамічних навантажень, обумовлених силами тиску газів, пружності пружин та інерції деталей приводу. Особливо важкі умови у випускних клапанів, що омиваються під час процесу випуску відпрацьованими газами з температурою 900...1200°С. Усе це погіршує механічні властивості металу, спричинює механічне, ерозійне та корозійне спрацювання робочої поверхні (фаски) клапана, короблення головки, що призводить до порушення герметичності ущільнення.

Рис. 23. Деталі клапанного механізму газорозподілу: 1 – розподільний вал; 2 – штовхач; 3 – напрямна втулка штовхача; 4 – штанга; 5 – регулювальний болт (гвинт); 6 – коромисло;                 7 – контргайка регулювального болта; 8 – втулка; 9 – тарілка пружини; 10 – пружина внутрішня; 11 – пружина зовнішня; 12 – шайба; 13 – сухарики; 14 – манжета; 15 – клапан впускний; 16 – клапан випускний; 17 – упорний фланець; 18 – шестірня розподільного вала; 19 – напрямна втулка клапана

Клапан складається з головки (рис. 24) і стержня. Перехід від головки до стержня роблять плавним, що забезпечує необхідну міцність клапана, сприяє кращому відведенню теплоти від головки, зменшенню аеродинамічного опору при проходженні газів.

Діаметр стержня 15 (рис. 23) і його довжина залежать від навантажень, які передаються, і конструкції стержня. Для кращого відведення теплоти від головки клапана стержні випускних клапанів виконують порожнистими і заповнюють на 57-60% металічним натрієм (рис. 25), який має температуру плавлення 98° і високу теплопровідність. Збовтуючись, розплавлений натрій відводить теплоту до верхньої частини стержня, кристалізується і випадає у вигляді осаду в порожнину головки, де знову розплавляється, завдяки чому температура головки знижується приблизно на 100 °С.

Впускні клапани виготовляють зі сталей 37С, 40ХН, 50ХН і 40ХНМА, а випускні – із жаростійких сталей 10ХСМ, Х9С2, ЭП48, ЭИ107, 40СХ10МА

Рис. 24. Форми головок клапанів: І – плоска; ІІ – тюльпаноподібна; ІІІ – випукла

Рис. 25. Конструктивна форма випускного клапана форсованого двигуна:        1 – стержень; 2 – головка;                3 – заглушка; 4 – жароміцна наплавка головки; 5 – металевий натрій;       6 – виточка для запобіжного кільця; 7 – кільцева виточка під сухарі

Сідла багатьох впускних і випускних клапанів виконані у вигляді вставних кілець із жаростійкого чавуну, які запресовують у головку циліндра.

Напрямна втулка 19 (рис. 23), що розміщена на хвостовику клапана, забезпечує строгий напрям руху клапана і посадку його в сідло без перекосів. Вона запресовується в головку циліндра або блок-картер. Виготовляють із чавуну або металокераміки.

Пружина 11 створює зусилля, необхідне для закриття клапана і щільної посадки його у сідло. За достатньої пружності вона не допускає відриву клапана штовхача від кулачка розподільного вала, зберігає достатню тривалість відкриття клапана. Пружини виготовляють з сталевого дроту. Вони можуть мати постійний або змінний крок. У деяких двигунах на клапани ставлять дві пружини.

Деталі механізму газорозподілу забезпечують передачу руху від розподільчого валу до клапанів. До них відноситься штовхач, який служить для передачі руху від валу до клапана або штанги. Виготовляють штовхачі з чавуну або сталі, шліфують і термічно обробляють. Для зменшення маси штовхача їх часто роблять пустотілими. Вони бувають (рис. 26): грибоподібні; циліндричні роликові; гідравлічні.

Рис. 26. Конструктивні схеми штовхачів: а і б – грибоподібний і циліндричний зі сферичними опорними поверхнями;         в – роликовий; г – гідравлічний; 1 і 10 – розподільчі вали; 2 і 9 – кулачки; 3, 7 і 12 – штовхачі; 4 – регулювальний болт; 5 – контргайка; 5 – штанга; 8 – отвір для стікання мастила; 11 – п’ята; 13 – ролик; 14 – голковий підшипник; 15 – вісь ролика; 16 – втулка; 17 – вилка штовхача; 18 – сферична опора; 19 – стакан; 20 – пружина; 21 – плоский клапан

Штовхачі рухаються в направляючих втулках або безпосередньо в отворах блок-картерів.

Штанга є суцільним сталевим або із алюмінієвого сплаву пустотілим сталевим стержнем. Нижній кінець виготовлений у вигляді кульки, а верхній – сферичний для упора головки у регулювальний гвинт.

Коромисло – це сталевий двохплечий важіль з плечами різної довжини (рис. 27). На короткому плечі передбачено різьбовий отвір. Робоча частина бойка шліфується. В середині коромисла є отвір із запресованою втулкою для осі.

Стальні осі, на яких розміщують коромисла, закріплені у стійках, які встановлюють на верхній площині головки циліндрів.

Рис. 27. Коромисла: а – литі; б – штамповані; 1 – регулювальний болт; 2 – контргайка; 3 – коромисло; 4 – підшипникова втулка

Розподільний вал за допомогою кулачків (рис. 23), розміщених на ньому, керує рухом клапанів. Кожен кулачок діє на один клапан впускний чи випускний. Кулачки виготовлені разом з валом і розміщуються на ньому у відповідному порядку під різними кутами та відповідно до порядку роботи циліндрів двигуна.

Розподільчі вали обертаються у підшипниках ковзання, встановлених у стінках чи поперечних перегородках блок-картера.

4. Декомпресійний механізм (рис. 28) є одним із механізмів системи пуску. Але його робота пов’язана з роботою механізму газорозподілу і служить для полегшення провертання КШМ. Тому, такий механізм передбачено у дизельних двигунах.

Під час пуску і регулювання механізмів дизеля провертання колінчастого вала вимагає значних зусиль на переборення опору повітря, стиснутого в циліндрах. Для зменшення цього опору в період провертання колінвала, камери згоряння дизеля з’єднують з атмосферою, відкриваючи впускні, а деколи і випускні клапани протягом всього циклу. Тому тиск в циліндрах падає, двигун декомпресується.

Під час прокручування колінчастого вала декомпресований дизель поступово нагрівається, в ньому знижується в’язкість масла, тому опір прокручування зменшується. Коли колінчастий вал дизеля розвине достатню частоту обертання (біля 300 об/хв.), виключають декомпресійний механізм і виключають подачу палива.

Рис. 28. Принципові схеми декомпресійних механізмів: а – з дією валика на штовхач; б – з підняттям короткого плеча коромисла спеціальною штангою; в – з натисканням валика на довге плече коромисла; г – з натисканням болта на довге плече коромисла: 1 – валик; 2 – штовхач; 3 – штанга;        4 – коромисло; 5 – штанга декомпресійного механізма;    6 – болт (гвинт); 7 – контргайка

У процесі експлуатації поверхні тертя деталей механізму газорозподілу втрачають свою конфігурацію, зростають проміжки в спряженнях. Дія високотемпературних газів, ударних навантажень відкладання нагару порушують герметичне прилягання клапанів до сідел. Тому при обслуговуванні автотракторних двигунів ГРМ вимагає підвищеної уваги. Особливо регулювання клапанів Надто великий або малий проміжки знижують потужність двигуна. Проміжки в клапанах необхідно регулювати на холодному двигуні.

ЛЕКЦІЯ № 5