Механизмы газораспределения и агрегаты наддува

Клапаны и их приводы

Устройство клапанов. Впускной и выпускной клапаны во всех двигателях открываются внутрь цилиндра: давление в цилиндре в этом случае прижимает клапаны к седлу, в результате чего повышается их плотность. Клапан (рис. 55, а) состоит из штока 5 и тарелки 2, выполняемых обычно заодно. Тарелка имеет коническую рабочую фаску 3, причем угол a ее делается равным 30—45°. Фаска 3 сидит в седле, протачиваемом в крышке 4 цилиндра. Фаска и седло тщательно притираются с помощью специального приспособления (притира), для которого предусматриваются отверстия 1 или шлиц.

Шток 5 клапана направляется в крышке 4 цилиндра чугунной втулкой 6 и смазывается маслом, подводимым от узлов привода открытия клапана, или вручную. Клапан прижимается к седлу пружиной 7, упирающейся нижним концом в крышку, а верхним – в тарелку 8, закрепленную на штоке клапана. Когда клапан закрыт, пружина должна удерживать его в седле, несмотря на разрежение в цилиндре при всасывании (выпускной клапан). В момент окончания подъема клапана пружина препятствует его дальнейшему движению в направлении открытия (вниз) под действием сил инерции, действующих на клапан и детали привода, т. е. не допускает отрыва толкателя от кулачковой шайбы.

Встречается несколько способов закрепления тарелки. На рис. 55, а тарелка крепится двумя коническими полукольцами («сухариками») 10 и 11 Они надеваются на шейку клапана при опущенной тарелке 8.

Снаружи полукольца имеют коническую поверхность, а тарелка 8 – коническую расточку. Поэтому после надевания полуколец 10 и 11 тарелка 8 под действием пружины 7 упрется в полукольца, прижав их к шейке штока. На рис. 55, б показан способ крепления тарелки 1 скобой 3, надеваемой на шейку 4 штока при отжатой вниз тарелке 1. Иногда применяют навертные тарелки (рис. 55, 0). Тарелка 2 навернута на конец штока 1, после чего застопорена контргайкой 3 с замковой шайбой 5. Клапаны открываются рычагом привода, действующим на торец штока. Чтобы торец штока не изнашивался, в него вставляется закаленный сухарь 9 (см. рис. 55, а) или на него надевается колпачок (поз. 2 на рис. 55, б и поз. 4 на рис. 55, в).

Клапаны могут быть со вставными седлами (рис. 55, г). Седло 1, изготовляемое из специального чугуна, вставляется в крышку 5 и фиксируется пружинящим кольцом 2 или другими способами. Клапан на рис. 55, г имеет внешнюю 7 и внутреннюю 8 пружины, которые выполняются с разным направлением витков. При двух пружинах легче обеспечить необходимые величины сил воздействия пружин на закрытый и открытый клапан при данной высоте его подъема и, кроме того, при поломке одной из пружин другая удерживает клапан в седле. Работа с нормальной частотой вращения при одной сломанной пружине невозможна, но по крайней мере исключена опасность выпадения клапана в цилиндр. Особенностью конструкции рассматриваемого клапана является также и то, что нижняя тарелка 6 пружины упирается в бурт втулки 4, тем самым дополнительно фиксируя ее в крышке 5. Верхняя тарелка 10 пружины крепится полукольцами 11 и 12, причем клапан 3 имеет коническую шейку 9 для полуколец.

У крупных двигателей клапаны имеют корпус. Клапан, корпус, седло и все остальные детали собираются в единый узел, после чего клапан в сборе вставляется в крышку цилиндра.

Рассмотренные клапаны типичны для штангового привода, когда они открываются рычагом. Однако есть двигатели, у которых кулачковая шайба действует непосредственно на клапан.

У такого двигателя клапан (рис. 56) имеет упорную тарелку 7 большого диаметра, на которую сверху действует кулачковая шайба. Тарелка 7 ввернута внутрь штока 2 клапана. Под упорной тарелкой 7 помещена замковая тарелка 6. Тарелка 7 снизу, а тарелка 6 сверху снабжены радиальными шлицами. Кроме того, тарелка 6 надета на осевые шлицы штока 2 клапана. Пружины 4 и 5 прижимают замковую тарелку 6 к упорной тарелке 7, чем предотвращается ее проворачивание, т.е. вывертывание из штока 2. Клапан имеет направляющую втулку 3 и вставное седло 1, которое в данном случае применено потому, что головка цилиндра изготовлена из алюминиевого сплава.

Впускные и выпускные клапаны выполняются обычно одинаковыми по конструкции и по размерам. Иногда диаметр тарелки впускного клапана делают больше, чем выпускного, чтобы уменьшить сопротивление впуску свежего заряда. Клапаны чаще всего изготовляют из разного материала: впускные из сталей 40Х, 45Х, 40ХН или подобных им, выпускные, работающие в более тяжелых условиях, из жароупорных износостойких сталей 4Х9С2, 4Х10С2М и др. Рабочая фаска клапана часто имеет жаропрочную наплавку. Чтобы различить впускной и выпускной клапаны, если они одинаковы по диаметру, но разные по материалу, на нижнем торце тарелки выбивают клейма: «Вп», «Вс» для впускного и «Вх», «Вых» для выпускного. На двигателях, изготовленных в ГДР, клейма бывают соответственно «Е» (Einlap — впуск) и «А» (Auslap — выпуск).

Типы клапанных приводов. Как было сказано, клапаны открываются либо особым механизмом, называемым клапанным приводом, либо непосредственным воздействием кулачковой шайбы распределительного вала на клапан.

У большинства судовых двигателей клапаны открываются с помощью привода от распределительного вала, расположенного на уровне верхней части картерного пространства. Чаще всего распределительный вал 22 (см. рис. 209) помещается внутри картерного пространства, чем обеспечивается хорошая смазка кулачковых шайб масляной пылью, но усложняется доступ к ним. У некоторых двигателей распределительный вал 8 (см. рис. 210) находится в специальной выгородке блок-картера или блока цилиндров. В этом случае облегчается доступ к кулачковым шайбам для осмотра и регулировки, но появляется необходимость специального подвода масла к узлам привода.

Открытие клапанов непосредственным воздействием на них кулачковой шайбы применяется в быстроходных двигателях. При этом предусматривается два распределительных вала 14 и 15 (см. рис. 212), укладываемых над впускными (вал 14) и выпускными (вал 15) клапанами

Наличие двух распределительных валов, усложнение связи распределительных и коленчатого валов, загромождение головки двигателя являются недостатками данного варианта открытия клапанов. Однако на детали клапанного привода, если он есть, действуют силы инерции, которые у быстроходных двигателей были бы значительными. При надклапанном расположении распределительных валов это исключено Кроме того, при рассматриваемом размещении валов легко обеспечить открытие впускных и выпускных клапанов тогда, когда их по два (тех и других) на каждый цилиндр. При нижнем расположении распредели тельного вала усложняется конструкция клапанного привода.

Привод с неразрезными рычагами. Клапаны 6 (рис. 57) открываются концами рычагов 1 и 5, сидящих на оси 2, закрепленной в стойке 10 крышки цилиндра. Вторые концы рычагов 1 и 5 несут в себе регулировочные винты 9, упирающиеся в головки штанг 11. Нижний конец каждой из штанг упирается в толкатель 18, на ролик 17 которого может воздействовать кулачковая шайба 16 распределительного вала.

Когда выступ кулачковой шайбы набежит на ролик толкателя, штанга поднимется и рычаг 1 или 5 откроет клапан. Закрываются клапаны под действием своих пружин.

Клапанные рычаги изготовляют из стали. Чтобы уменьшить расстояние между кулачковыми шайбами, в двигателях Л275 рычаги насажены не под прямым углом по отношению оси 2. С целью уменьшения износа торцовой поверхности штока клапана и конца рычага предусмотрен ролик 7. Однако установка подобных роликов себя не оправдала, на двигателях 6Л275ШПН завод-изготовитель их уже не ставит. Подшипниками рычагов служат бронзовые втулки 4, смазываемые под давлением маслом, подводимым в канал 3 через штуцер, ввертываемый с торца оси 2. По каналам 8 клапанных рычагов масло проходит также на смазку сферической опоры верхней головки штанги 11 и через сверление в этой головке, внутреннюю полость штанги и сверление в нижней ее головке — на смазку подпятника 13 толкателя и затем далее на смазку ролика 17 и самого толкателя 18. Охватывающая все узлы привода канализация масла потребовалась потому, что в этом двигателе толкатели помещены в выгородке блок картера, изолированной от картерного пространства (см. рис. 210). Чтобы толкатель 18 не поворачивался относительно своей оси, в рассматриваемой его конструкции имеется скользящая шпонка 19, для которой в корпусе 12 сделана вертикальная канавка. Окна 15 и ролик 14 толкателя используются для его подъема при реверсировании двигателя.

После пуска двигателя клапаны вследствие их нагревания удлиняются. Если в клапанном приводе не будет зазора, то при удлинении клапан не будет садиться в седло и его герметичность нарушится. Следовательно, нарушится нормальное течение процессов сжатия и расширения, а в результате прорыва газов при горении клапан будет быстро обгорать и выйдет из строя.

Поэтому при сборке привода и периодических проверках двигателя тепловой зазор в приводе регулируют винтами 9. Величина этого зазора для холодного двигателя указывается в руководстве по его эксплуатации и колеблется в пределах 0,2—2 мм для впускных и 0,3 – 2,5 мм для выпускных клапанов. Измеряют зазор щупом и обычно над торцом клапана. При работающем, прогретом двигателе величина теплового зазора уменьшается, но он обязательно должен быть. Во время работы двигателя его следует периодически проверять. Для этого достаточно попробовать повернуть штангу 11: при наличии зазора в момент, когда клапан закрыт, она легко поворачивается.

Привод с разрезным рычагом. Компоновка кулачковых шайб на распределительном валу значительно упрощается при использовании в клапанных приводах разрезных рычагов. В этом случае плечо рычага, примыкающее к клапану, и плечо, примыкающее к штанге, изготовляют каждое отдельно и жестко насаживают на общий валик.

На рис. 58 изображен привод, клапанный рычаг 12 которого выполнен неразрезным, а рычаги 9 и 11 представляют собой два плеча разрезного рычага открытия впускного клапана. Рычаги 9 и 11 насажены на валик 14 на шпонках и закреплены на нем стяжными винтами. Валик 14 лежит в роликовых подшипниках стойки 15, крепящейся к крышке цилиндра. Рычаг 9 с помощью головки с цементированной и закаленной нижней поверхностью может воздействовать на шток клапана 10, а рычаг 11 имеет на своем конце регулировочный винт 8, сферический торец которого опирается в верхнюю головку штанги 7. Когда кулачковая шайба / набежит на ролик 2 толкателя 4, штанга 7, поднимаясь, повернет по часовой стрелке рычаг 11 вместе с валиком 14 и рычагом 9, открывающим клапан.

Валик 14 является одновременно осью качания неразрезного рычага 12, имеющего также роликовый подшипник. У валика 14 и рычага 12 подшипники смазываются через каналы в валике консистентной смазкой от колпачковой масленки 13.

Толкатели 4 направляются втулкой 6, крепящейся к полке блок-картера. В каждый из толкателей вставлен упор 5 со сферическим торцом, в который упирается нижняя головка штанги 7. Ролик 2 толкателя находится в вырезах нижней части втулки 6, чем предотвращается поворот толкателя относительно его оси. Головки штанг в данном случае смазываются вручную. Ролик 2 и толкатель 4 обеспечиваются смазкой за счет оседания частичек масла из воздуха картерного пространства (см. рис. 209).

Ручная смазка узлов клапанного привода — недостаток двигателя, особенно автоматизированного, эксплуатирующегося без постоянной вахты в машинном отделении или с сокращенным ее составом. Поэтому двигатели, построенные в последние годы, имеют централизованную смазку клапанного привода, при которой во избежание потерь масла крышки цилиндров закрываются колпаками (см. рис. 210).

В двигателях с высокой скоростью вращения часто применяются толкатели, условно называемые плоскими. У них нет роликов и кулачковая шайба 1 (рис. 59, а) воздействует на плоскую поверхность головки 2 толкателя 3. Иногда плоские толкатели имеют форму стакана 2 (рис. 59, б), в углубление дна которого упирается сферическая головка штанги Л. Чтобы уменьшить общий износ торцовой поверхности толкателя, ось его часто смещается относительно середины кулачковой шайбы (см. рис. 59, а). В этом случае при каждом набегании шайбы толкатель будет повертываться.

Распределительные валы

Общее устройство распределительных валов и их подшипников.

Распределительные валы изготовляют из углеродистых сталей марок 20, 25, 30 или хромистых и хромоникелевых. У быстроходных и нереверсивных двигателей распределительный вал часто выполняется заодно с кулачковыми шайбами, у остальных двигателей кулачковые шайбы насаживаются на него.

При нижнем расположении распределительный вал заводится в гнезда блок-картера с торца двигателя. Чтобы облегчить эту операцию, вал обычно изготовляют составным по длине. Соединение его частей производится различными способами. На рис. 60, а изображена половина распределительного вала двигателя 6ЧСП 18/22, имеющая фланец 2 для соединения его со второй половиной. У двигателей типа НФД48 конец 1 (рис. 60, б) носовой части распределительного вала входит внутрь расточки его кормовой части 4. Соединение фиксируется шпонкой 5 и втулкой 2, крепящейся винтом 3.

Чтобы была обеспечена возможность для заведения распределительного вала с кулачковыми шайбами в гнезда блок-картера, вал может быть изготовлен с шейками 6 (рис. 60, а), радиус которых должен быть больше, чем расстояние вершин кулачковых шайб 1 от оси вала. Чаще, однако, распределительный вал заводится в гнезда блок-картера вместе с надетыми на него подшипниками. Подшипники (рис. 61, а) выполняются из двух половин 3 и 6, заплавленных баббитом. Половины надеваются на шейку 1 распределительного вала и крепятся болтами 2. После этого распределительный вал заводится в гнезда блока, причем каждый подшипник крепится в гнезде 4, например штырем 5 (двигатели типа Л275), ввертываемым в блок. Концевой подшипник (рис. 61, б), также состоящий из двух половин 1 и 3, имеющих фланцы 4 и 6, крепится винтами 5 к приливу 7 блока цилиндров. Подшипники, изображенные на рис. 61, а и б, смазываются маслом, подводимым по каналам 2 (см. рис. 61, б) с торца подшипника. У некоторых двигателей масло подводится через радиальные каналы.

При верхнем, надклапанном расположении распределительные валы 4 и 7 (рис. 61, в, двигатель ЗД6) укладываются в расточки алюминиевых стоек 1, крепящихся шпильками 8 к головке двигателя. Крышка 2 такого объединенного для двух валов подшипника делается общей и крепится концевыми 3 и средней 6 шпильками. Смазка подводится через полости внутри валов 4, 7 и поступает в подшипники по радиальным сверлениям 5.

Аналогично устроен концевой подшипник (рис. 61, г), но валы имеют фиксирующие бурты 3 и 4. В двигателе ЗД6 концевой подшипник используется для подвода масла внутрь валов: масло поступает из канала 1 головки двигателя в канал 2 подшипника, а из него – внутрь валов.

Кулачковые шайбы. Распределительный вал несет на себе кулачковые шайбы для открытия впускных и выпускных клапанов, кулачковые шайбы привода топливных насосов и иногда кулачковые шайбы для пусковых золотников или пусковых клапанов. У реверсивных двигателей кулачковых шайб бывает два комплекта: для переднего и для заднего хода. Если двигатель имеет блочный топливный насос со своим кулачковым валом, то на распределительном валу кулачковые шайбы топливных насосов отсутствуют. На распределительном валу двухтактного двигателя с индивидуальными насосами и щелевой продувкой необходимы лишь кулачковые шайбы привода топливных насосов.

Кулачковые шайбы отковывают из вязкой стали каждую в отдельности или в виде блока из нескольких шайб. Рабочие поверхности их цементируют и закаливают.

На рис. 62, а показан участок распределительного вала, относящийся к одному цилиндру, двигателя 6С275Л. Он имеет блок 9 кулачковых шайб впускных клапанов и блок 1 кулачковых шайб выпускных клапанов. Каждый блок состоит из шайбы 12 переднего и шайбы 13 заднего хода. Шайбы зафиксированы на распределительном валу 5 общей шпонкой 2 и стальными винтами 3, 10, предотвращающими осевой сдвиг шайбы. Профиль шайб имеет цилиндрическую вершину, выполненную с радиусом г. Она сопряжена с затылочной поверхностью радиуса R касательными плоскостями. Такой профиль шайбы называется тангенциальным.

Кулачковые шайбы топливных насосов насаживают на распредели тельный вал так, чтобы их можно было поворачивать относительно вала. Это необходимо для регулирования момента начала подачи топлива. В рассматриваемом случае кулачковые шайбы топливного насоса переднего 8 и заднего 7 хода крепятся к блоку 9 шайб впускных клапанов шпильками 4. Для удобства монтажа шайбы имеют отъемную затылочную часть 11. Шайба 8 центрируется выступом на блоке 9, а шайба 7 — кольцом 6. Возможность поворота («покатки») шайб обеспечивается продолговатой формой отверстий под шпильки 4: при необходимости «покатить» шайбу ослабляется затяжка шпилек 4 и та или другая шайба повертывается на нужный угол.

У двигателей НФД48 (рис. 62, б) все четыре шайбы впускных и выпускных клапанов выполнены в едином блоке 14, зафиксированном на распределительном валу 7 шпонкой 13 и винтом 1. Кулачковые шайбы переднего 4 и заднего 6 хода топливного насоса имеют в данном случае шлицевое крепление. На вал 7 насажена ступица 8, зафиксированная той же шпонкой 13 и штифтом 5. На ступицу 8 свободно насаживаются шайбы 4, 6 топливного насоса и блок 11 кулачковых шайб пусковых золотников, закрепленный штифтом 3. Шайбы топливного насоса сделаны со шлицевыми поясами 9 и 10. Радиальные шлицы пояса 9 сцеплены со шлицами бурта ступицы 8. В поясе 10 сцеплены между собой шлицы шайб 4 и 6. Сцепление обеспечивается тем, что шайбы 4, 6 и 11 стянуты гайкой 2, навернутой на ступицу 8. Гайка 2 застопорена замковой шайбой 12. Для покатки шайб 4, 6 надо отдать гайку 2, сдвинуть вправо шайбу 4 или 6, в зависимости от того, какую из них требуется покатить, и повернуть шайбу. Поскольку пояса 9 и 10 имеют по сто восемьдесят шлицев, покатка на один зуб будет означать поворот шайбы на 2°.

При распределительном вале 2 (рис. 62, в), откованном заодно с кулачковыми шайбами 1 и 3, в клапанном приводе применяются, как правило, плоские толкатели. Боковой профиль шайб при этом создается цилиндрической поверхностью радиуса R. Такие шайбы встречаются иногда (двигатель 18Д) и в приводах, имеющих толкатели с роликом (рис. 62, г). При выпуклом профиле клапаны быстрее открываются. Однако шайбы выпуклого профиля сложны в изготовлении, и силы инерции, действующие в приводе открытия клапана, в данном случае больше, чем при тангенциальном профиле.

Привод распределительного вала. При нижнем расположении распределительный вал приводится от коленчатого вала шестернями. Для плавного зацепления шестерни выполняют с косым зубом.

В четырехтактном двигателе периодичность работы механизма газораспределения и подачи топлива составляет два оборота коленчатого вала. Следовательно, распределительный вал такого двигателя должен вращаться вдвое медленнее, чем коленчатый. У двухтактного двигателя он должен вращаться с той же скоростью, что и коленчатый вал. С целью уменьшения размеров шестерен приводы обычно изготовляют с промежуточными шестернями. На рис. 63, а показан привод с одной промежуточной шестерней 3, сцепленной с ведущей шестерней 4 коленчатого и с ведомой 2 распределительного валов. Поскольку двигатель четырехтактный (типа Л275), то шестерня 2 имеет вдвое больший диаметр, чем шестерня 4. Промежуточная шестерня 3, как известно, на передаточное число влияния не оказывает. От шестерни 2 приводится также вал регулятора 1.

Как видно из рис. 63, а, кожух шестерни 2 распределительного вала увеличивает габариты двигателя. Для уменьшения диаметра шестерни распределительного вала в приводе часто применяется двухступенчатая передача. В этом случае промежуточных шестерен в приводе две, жестко насаженных на общий вал. Одна из них сцеплена с шестерней коленчатого, а другая — с шестерней распределительного валов. Путем подбора размеров промежуточных шестерен можно получить умеренный диаметр шестерни распределительного вала. При надклапанном расположении распределительных валов в привод вводятся промежуточные валы (рис. 63, б), которые используются и для привода различных механизмов.

Ведущая коническая шестерня 1 коленчатого вала сцеплена с ведомой шестерней 2 наклонного вала 3. С помощью пары конических шестерен 4 и 11 наклонный вал 3 приводит в движение вертикальный вал 10, а шестернями 5 — воздухораспределитель и топливный насос (двигатель ЗД6). Вертикальный вал 10 парой конических шестерен 6 и 7 приводит в движение распределительный вал впускных клапанов, а через пару цилиндрических шестерен 8 и 9 — выпускных клапанов. Второй наклонный вал 12 служит для привода генератора. Подобный привод применяется и в V-образных двигателях.

Фазы и диаграмма распределения четырехтактного дизеля. Моменты открытия и закрытия клапанов не совпадают с положениями поршня в м. т. Выпускной клапан приходится открывать раньше, чем поршень придет в н.м.т. в конце такта расширения. Если такого опережения открытия клапана не делать, то к началу хода поршня вверх давление в цилиндре не успеет снизиться до давления выпуска и на преодоление этого противодавления газов будет расходоваться излишняя работа. Закрывать выпускной клапан целесообразно уже после перехода поршня через в. м. т. Скорость поршня вблизи м. т. незначительна, и продолжающееся по инерции движение потока отработавших газов будет способствовать отсосу газов из цилиндра. Отсюда же следует и целесообразность открытия впускного клапана до прихода поршня в в.м.т.: поступление свежего заряда одновременно с отсосом из цилиндра продуктов сгорания является продувкой цилиндра

Вблизи н.м.т поршень также движется с небольшой скоростью Поэтому в начале движения поршня вверх при такте сжатия в цилиндре еще будет разрежение, а столб поступающего в него воздуха будет обладать запасом кинетической энергии Если задержать закрытие впускного клапана, то воздух по инерции будет продолжать поступать в цилиндр: будет происходить его дозарядка.

Следовательно, целесообразно открывать клапаны с опережениями, а закрывать с запаздываниями относительно положений поршня в.м.т. Однако нельзя эти опережения и запаздывания делать чрезмерными. Если выпускной клапан открыть слишком рано, то будет бесцельно потеряна энергия еще работоспособного газа, а при чрезмерно позднем его закрытии может начаться отсос продуктов горения из выпускного коллектора. При чрезмерно раннем открытии впускного клапана может произойти выброс отработавших газов во впускной коллектор, а при слишком позднем его закрытии – выталкивание воздуха во впускной коллектор при начавшемся сжатии.

Моменты открытия и закрытия клапанов называются ф а з а м и г а з о р а с п р е д е л е н и я Их определяют опытным путем и приводят в формулярах двигателей в виде углов опережения и запаздывания (по повороту кривошипа). Для большей наглядности часто строят диаграмму газораспределения. У четырехтактного двигателя она имеет вид спирали (рис. 64).

Угол С2 является углом опережения открытия впускного клапана, а угол О4 — углом запаздывания его закрытия. Таким образом, впускной клапан открыт в течение a2+"+ 180°+a4 п к в., что составляет продолжительность процесса впуска- угол a1 – угол опережения подачи топлива. Процесс выпуска начинается с опережением на угол a5, когда открывается выпускной клапан, и заканчивается с запаздыванием на угол a3. Общая продолжительность процесса выпуска составляет a5+180°+a3п.к.в. Как видно из диаграммы, в течение угла п. к. в. a2+a3 оба клапана – впускной и выпускной – открыты одновременно. Этот угол называется у г л о м п е р е к р ы т и я к л а п а н о в. У дизелей без наддува он равен 25 — 70° п. к. в.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: