Arskama.ru

Автомобильный журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое верхнеклапанный двигатель и нижнеклапанный

Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (ГРМ) — механизм управления фазами газораспределения двигателя внутреннего сгорания.

Состоит из распределительного вала — или нескольких валов — и механизмов привода к ним, клапанов, открывающих и закрывающих впускные и выпускные отверстия в камерах сгорания, и передаточных звеньев — толкателей, штанг, коромысел и некоторых вспомогательных деталей (регулировочных элементов, клапанных пружин, системы поворота клапанов и проч.)

Система привода распределительного вала в любом случае обеспечивает его вращение с угловой скоростью, равной 1/2 угловой скорости коленвала.

Содержание

  • 1 Классификация ГРМ
    • 1.1 Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров
      • 1.1.1 Нижнеклапанные
      • 1.1.2 Со смешанным расположением клапанов
      • 1.1.3 Верхнеклапанные с приводом клапанов толкателями (тип OHV)
    • 1.2 Двигатели с распредвалом в головке цилиндров
      • 1.2.1 SOHC
      • 1.2.2 DOHC
    • 1.3 Десмодромный газораспределительный механизм
    • 1.4 ГРМ с изменяемыми фазами газораспределения
    • 1.5 ГРМ без распределительного вала
  • 2 Прочие системы газораспределения
    • 2.1 Гильзовая система газораспределения
  • 3 Примечания
  • 4 См. также
  • 5 Ссылки
  • 6 Литература

Классификация ГРМ [ править ]

Классифицирующими признаками для конструкции газораспределительного механизма являются расположение клапанов и распределительного вала.

По расположению клапанов выделяют двигатели:

  • Нижнеклапанные (с боковым расположением клапанов);
  • Верхнеклапанные (в старой литературе — «с подвесными клапанами»);
  • Со смешанным расположением клапанов.

По расположению распределительного вала выделяют двигатели:

  • С распредвалом, расположенным в блоке цилиндров (Cam-in-Block);
  • С распредвалом, расположенным в головке блока цилиндров (Cam-in-Head);
  • Без распределительного вала.

По этим признакам клапанные механизмы четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания разделяются на целый ряд подтипов [1] .

Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров [ править ]

Нижнеклапанные [ править ]

Нижнеклапанный двигатель (с боковым расположением клапанов, англ. L-Head, Flathead, SV — Side-Valve) — двигатель, у которого распредвал расположен в блоке и клапаны расположены также в блоке, в ряд сбоку от цилиндров, тарелками вверх. Привод непосредственно от расположенного под ними распредвала.

Плюсы схемы — малая шумность, простота в изготовлении и обслуживании, отсутствие опасности касания клапанов и поршня при неправильной установке угла распределительного вала. При наличии гидравлических толкателей клапанов или правильно выставленном клапанном зазоре нижнеклапанные двигатели работают на холостых оборотах почти совершенно бесшумно — отчётливо слышен только шум воздуха, обтекающего вентилятор системы охлаждения. Все детали ГРМ этого типа находятся внутри блока, что позволяет получить очень компактный двигатель. Распределительный вал находится в общем картере с коленвалом, что упрощает систему смазки и повышает безотказность, отсутствуют промежуточные передаточные звенья между кулачками распредвала и клапанами (коромысла, рокеры, рычаги и т. п.), нет необходимости в сложных уплотнениях стержней клапанов (маслосъёмные колпачки). Головка блока нижнеклапанного мотора представляет собой простую стальную или алюминиевую плиту с каналами для охлаждающей жидкости, она легко демонтируется, открывая удобный доступ к клапанам и поршням, что было весьма актуально в годы, когда поршни требовалось регулярно очищать от нагара, а клапаны — периодически притирать к сёдлам, для чего в их тарелках делались специальные шлицы для притирочной машинки.

Главный минус нижнеклапанной компоновки — из-за сложного пути бензовоздушной смеси значительно ухудшается наполнение цилиндров, в особенности на высоких оборотах, как следствие — достигается ощутимо меньшая удельная мощность по сравнению с остальными конфигурациями, двигатель получается тихоходным и неэкономичным. Камеры сгорания нижнеклапанного мотора имеют сложную форму и из-за этого как правило не подвергаются механической обработке, сохраняя шероховатую поверхность, полученную при отливке, что ещё больше снижает показатели двигателя и является причиной появления различий в объёме и характере работы камер сгорания одной головки. Длинные выпускные каналы способствуют перегреву нижнеклапанного двигателя. Необходимость обеспечить, с одной стороны, минимальное конструктивно обусловленное расстояние между осями цилиндра и распределительного вала, а с другой — необходимый зазор между тарелкой клапана и стенками камеры сгорания вынуждает конструкторов придавать камере сгорания сильно вытянутую форму и не даёт уменьшить её объём, а это, в свою очередь, не позволяет увеличить степень сжатия, что является наиболее простым и эффективным способом повышения удельной мощности, выше 7÷7,5:1 — при дальнейшем росте степени сжатия нижнеклапанный двигатель становится склонен к детонации (в незначительной степени этот недостаток может быть устранён наклоном осей клапанов относительно оси цилиндров, однако при этом растут габариты двигателя). По той же причине невозможно создание нижнеклапанного дизеля, поскольку в дизель-моторах необходимы степени сжатия порядка 19 и выше.

Вплоть до 1950-х годов благодаря своей простоте и дешевизне двигатели с таким ГРМ были наиболее распространены на легковых (за исключением спортивных) и грузовых автомобилях. Первые массовые модели с верхнеклапанными двигателями появились ещё в 1920-х годах, однако в те годы нижнеклапанные моторы конкурировали с ними практически на равных. Лишь к 1950-м годам, после появления в широком доступе топлива с более высокими октановыми числами, стало очевидно, что нижнеклапанная схема сдерживает развитие автомобилестроения, мешая созданию более совершенных, динамичных и скоростных автомобилей, соответствующих изменившимся условиям дорожного движения. В результате в первой половине 1950-х годов на легковых автомобилях началось массовое внедрение верхнеклапанных двигателей, лишённых присущих нижнеклапанной схеме недостатков. На отдельных моделях легковых автомобилей, впрочем, нижнеклапанные двигатели продержались до начала 1960-х годов (Plymouth, Studebaker, Rambler, Simca Vedette, ЗИМ ГАЗ-12), а на грузовых автомобилях эта схема вообще использовалась вплоть до семидесятых годов, если не дольше — например, грузовик ГАЗ-52 с нижнеклапанным мотором выпускался до 1990-х годов. В спецтехнике нижнеклапанные двигатели широко используются и в наши дни.

Разновидностью схемы были имевшие некоторое распространение до Второй мировой войны двигатели с Т-образной головкой (T-head в англоязычной литературе). В них впускные клапаны находились с одной стороны блока цилиндров, а выпускные — с другой. Распределительных валов также было два. Цель конструкции — устранить перегрев впускных клапанов. Дело в том, что низкооктановый бензин, доступный в начале XX века, отличался высокой склонностью к детонации, что делало применение этой схемы в какой-то мере выгодным — более холодная бензовоздушная смесь имеет несколько более высокое октановое число (на этом же принципе работал впрыск воды в цилиндры, охлаждавшей рабочую смесь — конструкция, также имевшая хождение в те годы). Такими двигателями, в числе прочих, оснащались и первые «Руссо-Балты».

Двигатель получался громоздким, дорогим, поэтому схема распространения не получила.

Со смешанным расположением клапанов [ править ]

Также встречается обозначение — F-Head. У такого двигателя обычно впускные клапаны находятся в головке блока, как у верхнеклапанного мотора, и приводятся в действие при помощи штанг-толкателей, а выпускные — в блоке, как у нижнеклапанного двигателя. Распределительный вал был один и был расположен в блоке, как у обычного нижнеклапанного мотора.

Эта схема обладает тем преимуществом, что её мощность ощутимо выше, чем у «чистого» нижнеклапанного. Как правило, такие двигатели переделывались из нижнеклапанных в качестве меры текущей модернизации.

Подобные «полуверхнеклапанные» переделки существовали и в СССР — это были спортивные двигатели на базе агрегатов автомобилей «Москвич», «Победа» и ЗИМ. Выигрыш в мощности, в сочетании с иными мерами форсировки, был значительным — до 20…40 л.с., при исходной мощности самих указанных двигателей в 35, 50 и 90 л.с., соответственно.

Такие двигатели широко применялись фирмами Rolls-Royce и Rover благодаря их высокой надёжности как по сравнению с нижнеклапанными (из-за хорошего охлаждения верхних клапанов), так и по сравнению с ранними верхнеклапанными двигателями (из-за вдвое меньшего числа штанг-толкателей).

С широким распространением «настоящих» верхнеклапанных двигателей, эта схема почти полностью вышла из употребления. Тем не менее, последний такой двигатель был выпущен фирмой «Willys» в 1970-х годах.

Верхнеклапанные с приводом клапанов толкателями (тип OHV) [ править ]

Данная конструкция ГРМ была изобретена Дэйвидом Данбаром Бьюиком (David Dunbar Buick) в самом начале XX века. У этих двигателей клапаны расположены в головке цилиндров, а распредвал — в блоке (англоязычное обозначение — OHV«OverHead Valve»; также встречается I-Head, или Pushrod, то есть, «с толкателями»). Привод клапанов — штангами-толкателями через коромысла.

Плюс такой схемы — относительно простая конструкция и обеспечиваемая ей конструктивная надёжность — в частности, как правило используется простой и надёжный привод распределительного вала шестернями, что исключает саму возможность таких неисправностей, как разрыв ремня ГРМ или «перескакивание» цепи в механизме с цепным приводом. Эксплуатационные нагрузки на детали ГРМ также оказываются сравнительно невысокими, чем обеспечивается высокая долговечность.

Многие двигатели с ГРМ типа OHV ощутимо более компактны по сравнению с верхневальными, так как у них отсутствует расположенный сверху в головке блока распределительный вал, что особенно актуально для двигателей без оси коромысел, у которых коромысла опираются на шаровые пальцы; для рядных двигателей это в особенности касается габарита по высоте, а для V-образных — и высоты, и габаритной ширины.

Существенный минус ГРМ типа OHV по современным меркам — большая инерционность такого механизма газораспределения, что несколько ограничивает безопасные максимальные обороты коленчатого вала двигателя и, следовательно, развиваемые двигателем крутящий момент и литровую мощность (степень форсирования). Спортивные двигатели с ГРМ типа OHV, например — у машин, участвующих в гоночной серии NASCAR, могут работать и на 11 000 оборотах в минуту, но для обеспечения этого требуются специальные, достаточно дорогостоящие конструктивные и технологические решения (впрочем, это касается любых специализированных гоночных агрегатов).

Кроме того, такая схема затрудняет использование более двух клапанов на цилиндр (двигатели с таким ГРМ, имеющие 4 клапана на цилиндр, имеют большие габариты и массу, что делает их малоприменимыми в легковых автомобилях, но вполне приемлемыми для грузовиков и тяжёлой техники — примеры тому двигатели КамАЗ, ЯМЗ, ТМЗ, дизель тепловоза ЧМЭ3 и многие другие) и усложняет проектирование впускных и выпускных окон в головке цилиндров с высокоэффективной с точки зрения пропускной способности и сопротивления потоку конфигурацией.

Читать еще:  6 цилиндровый двигатель может троить

Двигатели этой схемы, как правило, сравнительно низкооборотные и относительно тихоходные, но с гибкой моментной характеристикой. Если не используются гидравлические толкатели, такой двигатель будет одним из наиболее шумных по сравнению с остальными схемами.

В СССР первым массовым верхнеклапанным мотором стал двигатель «Волги» ГАЗ-21 (малосерийные НАМИ-1 и ЗИС-101 имели такой ГРМ уже в 1920-х — 30-х годах). Из советских автомобилей такой механизм газораспределения имели «Волга» (все массовые карбюраторные модели), «Москвичи» семейств М-407, М-408 и М-2138, а также грузовики с карбюраторными двигателями конфигурации V8 (ЗИЛ, ГАЗ).

В мировой практике легкового автомобилестроения такие двигатели достаточно широко использовались ещё с 1910-х — 1920-х годов, однако вплоть до появления в первой половине 1950-х годов высокооктанового топлива в широком доступе не могли достичь решительного превосходства над нижнеклапанными, так как при сравнимой мощностной отдаче последние имели преимущества в отношении простоты конструкции и дешевизны производства. Повсеместное распространение верхнеклапанных моторов началось после появления в 1949 году двигателя Oldsmobile Rocket V8 со степенью сжатия, рассчитанной на высокооктановое топливо, спровоцировавшего в американской автомобильной промышленности «гонку лошадиных сил», не утихавшую вплоть до первой половины 1970-х. Вплоть до конца 1960-х, а в США — и до середины 1980-х годов, двигатели с таким ГРМ были наиболее распространены, но впоследствии их популярность стала резко снижаться из-за распространения верхневальных моторов, и к настоящему времени они производятся практически только в США. Там даже разрабатываются принципиально новые конструкции двигателей с таким типом ГРМ — например, выпускающийся с 2003 года Chrysler 5.7 L Hemi (Dodge Ram, Dodge Charger R/T, Jeep Grand Cherokee, Chrysler 300C), использующий технологию динамически изменяемого рабочего объёма и динамического изменения фаз газораспределения.

Иногда такие двигатели используются и на недорогих современных европейских автомобилях из-за своей дешевизны и компактности. Например, Ford Ka первого поколения (1996—2002) использовал инжектированную версию четырёхцилиндрового двигателя Kent разработки конца пятидесятых годов с ГРМ типа OHV, имеющую весьма компактные по современным стандартам размеры, что позволило уместить двигатель в небольшом моторном отсеке Ka.

В моторах грузовиков и тяжёлой техники ГРМ типа OHV всё ещё очень широко распространён. Схема OHV популярна и на малооборотистых четырёхтактных двигателях для газонокосилок, бензиновых электростанций, мотоблоков. Современные тракторные двигатели также имеют указанную схему.

Механизм газораспределения четырехтактных двигателей

По расположению клапанов различают верхнеклапанные (рис. 42, а) и нижнеклапанные (рис. 42, б) двигатели. У верхнеклапанного двигателя клапаны расположены в головке цилиндра и приводятся в движение от кулачкового вала с помощью толкателей 1, штанг 2 и коромысел 3. У нижнеклапанного двигателя клапаны расположены в теле цилиндра и приводятся в движение от кулачкового вала непосредственно толкателем 1.

Верхнеклапанные двигатели, имеющие относительно мало изогнутый впускной тракт, развивают мощность, которая на 30% больше мощности нижнеклапанных двигателей. Это объясняется главным образом лучшим заполнением цилиндра горючей смесью. У нижнеклапанного двигателя тракт впуска горючей смеси имеет много поворотов, тормозящих движение горючей смеси.
Стоимость изготовления верхнеклапанных двигателей несколько выше, однако они преобладают в мотоциклостроении.

Устройство и работа

Наиболее простой механизм газораспределения при нижнем расположении клапанов состоит из клапана 1 (рис. 43) грибообразной формы, гнезда 2, направляющей втулки 3, пружины 5, опорной шайбы или подпятника 7 пружины, теплоизолирующей фасонной шайбы 4 пружины, запорных сухариков 6, толкателя 10 с регулировочным винтом 8 и гайкой 9, кулачковых валов 11 с подшипниками, большой распределительной шет стерни 12 и малой распределительной шестерни 13, уста- новленной на коленчатом валу.рис. 43
Клапан к седлу прижимает пружина. При вращении коленчатого вала малая распределительная шестерня вращает большую шестерню распределительного вала с вдвое меньшим числом оборотов. Кулачки поднимают толкатели, которые, преодолевая сопротивление пружины, приподнимают клапан на расстояние 6*-8 мм от гнезда. По мере вращения ку-• лачка, толкатель начинает опускаться, и пружина возвращает клапан в гнездо. Цилиндр и клапан сделаны из различных металлов и при работе двигателя имеют неодинаковую тем 800° С* клапан при удлинении не упирался в головку толкателя, а под воздействием пружины плотно садился в гнездо, между толкателем и торцом стержня клапана имеется регулируемый тепловой зазор. Клапаны, нагреваемые горячими газами, передают тепло от головок через рабочие фаски седлам, а от стержней — направляющим втулкам. Впускной клапан нагревается меньше выпускного, так как охлаждается горючей смесью.

У клапана (рис. 44) различают головку (тарелку) 1 и стержень 2. Головка клапана бывает плоской (рис. 44, о), выпуклой (рис. 44, б) или вогнутой тюльпанообразной формы (рис. 44, в). Рабочая фаска головки расположена под углом 45° или 30° к оси клапана. При угле’30° обеспечивается лучшее наполнение цилиндра, но клапан хуже центрируется в гнезде. Головки клапанов стремятся делать большего размера (он ограничивается только возможностью размещения клапана в цилиндре или в головке цилиндра). Чтобы удобнее было производить притирку клапана к гнезду, на головке клапана имеется прорезь для отвертки. Однако прорезь ослабляет головку клапана и делает ее менее обтекаемой, поэтому на клапанах некоторых двигателей прорези не имеется. Для улучшения обтекания клапана газами и передачи тепла переход головки в стержень делают плавным. Вверху на стержне имеется кольцевая канавка 3 для запорных сухариков. Клапаны изготовляют из специальных сталей.

Гнезда клапанов у алюминиевой головки верхнеклапанного двигателя вставные из жаропрочного чугуна или бронзы, направляющие втулки Клапана — бронзовые или металлокерамические. У нижнеклапанного двигателя гнездо растачивается непосредст- венно в теле цилиндра или применяется вставное гнездо из легированного чугуна; направляющая втулка клапана отливается вместе с цилиндром или запрессовывается в цилиндр (рис. 44, г).
Для клапанов применяют цилиндрические с равномерным шагом (рис. 45, о) и более совершенные с неравномерным шагом (рис. 45, б) пружины. Каждый клапан имеет одну или две, расположенные внутри другой (рис. 45, в) цилиндрические пружины.рис. 46
Для верхнеклапанных двигателей применяют также пружины шпилечного типа (рис. 45, г). Для теплоизоляции пружины между ней и фланцем направляющей втулки или непосредственно между пружиной и головкой или цилиндром ставят фасонную шайбу 3 (рис. 45, в). Другой конец пружины опирается на шайбу 1 (подпятник). В шайбе имеется конусное отверстие для запорных сухариков 2.

Распределительный вал двухцилиндрового (рис. 46, а) и одноцилиндрового (рис. 46, б) двигателей, как правило, изготовляют как одно целое-х кулачками впускных и выпускных клапанов, а иногда и с червяком 4 привода масляного насоса. Применяются также отдельные для каждого клапана шестерни (рис. 46, в). Распределительный вал нижнеклапанного- двигателя приводится во вращение с помощью шестеренчатой или цепной передачи. Число зубьев шестерни на распределительном валу вдвое больше числа зубьев шестерни на коленчатом валу.
Толкатель 10 (см. рис. 43) представляет собой цилиндрический цельный или полый стержень, имеющий внизу шлифованный торец, которым он опирается на кулачок, а наверху гнездо для наконечника штанги или резьбовое отверстие для болта, регули- рующего тепловой зазор между головкой болта и стержнем клапана. В некоторых конструкциях механизма газораспределения кулачок поднимает толкатель посредством промежуточного рычага 1 (рис. 47, а), называемого рокером.

В зависимости от расположения распределительного вала верхнеклапанные двигатели разделяют на двигатели с нижним (в картере) валом и приводом к клапанам с помощью штанг 3 и коромысел 4 (рис. 47, а) и двигатели с верхним валом (в головке цилиндра). При расположении распределительного вала 2 в головке цилиндра применяется один вал с кулачками, открывающими клапаны с помощью коромысел (рис. 47, б), или два вала (для впускного и выпускного клапанов) с кулачками, которые открывают клапаны без коромысел (рис. 47, в).
Размещенные в головке цилиндра распределительные валы приводятся во вращение от коленчатого вала цилиндрическими шестернями или валом, расположенным вдоль цилиндра, и двумя парами конических шестерен, или с помощью цепной передачи. В механизме газораспределения находит применение зуборемен-ная передача.
Увеличение числа оборотов, являющееся одним из способов повышения мощности двигателя, ограничивается механизмом газораспределения верхнеклапанного двигателя. При больших числах оборотов во время открытия клапана инерционные силы коромысла, толкателя, рычага 1 (рис. 47, а) и пружины,’действуя в том же направлении, что и силы инерции клапана, стремятся приподнять его от гнезда на высоту большую, чем предусмотрено. Вследствие этого нарушаются фазы газораспределения, а клапан может удариться о поршень, так как пружина с нормальной упругостью не может нейтрализовать действие инерционных сил деталей механизма газораспределения и не успевает своевременно посадить клапан в гнездо. Применение более сильных пружин может вызвать обрыв стержня клапана. При утолщении клапана в опасных сечениях увеличивается его масса, что, в свою очередь, должно быть компенсировано соответствующим увеличением упругости пружины. В случае установки сильных пружин механизм газораспределения будет работать со стуком и недопустимой перегрузкой.
Чтобы уменьшить силу пружин, стремятся до возможного предела уменьшить массу деталей, движущихся возвратно-поступательно (пружин, толкателей, промежуточных рычагов, коромысел и клапанов). У верхнеклапанного двигателя с нижним расположением распределительного вала масса промежуточных деталей (между кулачком и клапаном) наибольшая. При верхнем расположении газораспределительного механизма т одним валом масса промежуточных деталей уменьшается. Наконец, при двух распределительных валах масса промежуточных деталей достигает возможного минимума. На рис. 47, г показан двигатель, у которого распределительный вал приближен к головке цилиндра. На таких двигателях установлены укороченные легкие толкатели; двигатели обладают в некоторой степени преимуществами двигателей с верхним расположением распределительного вала, а по простоте изготовления приближаются к двигателю с нижним расположением распределительного вала.
Двигатели с верхним расположением распределительного вала применяются преимущественно на дорогостоящих спортивных мотоциклах. Фазы газораспределения.
На диаграмме (рис. 48) показаны фазы газораспределения четырехтактного .двигателя. Впускной клапан открывается до прихода поршня в в. м. т. и закрывается после прохождения поршнем н. м. т. Выпускной клапан открывается до прихода поршня в н. м. т., закрывается после прохождения поршня в. м. т. Вследсгвйё опережения начала открытия впускного клапана к приходу поршня в в. м. т. пространство между клапаном и седлом является вполне достаточным для впуска смеси. Если бы начало открытия клапана совпадало с приходом поршня в в. м. т., то щель под клапаном образовалась бы после того, как поршень совершил часть такта впуска. Закрывается впускной клапан после прохождения поршнем н. м. т. во время его движения вверх. Из-за запаздывания конца впуска в цилиндр по инерции поступает дополнительное количество горючей смеси. Таким образом, .горючая смесь поступает в цилиндр в начале такта впуска под действием .разрежения в цилиндрел а в конце такта впуска — по инерции.рис. 48
Выпускной клапан открывается до прихода поршня в- н. м. т., остается открытым в течение всего такта выпуска и закрывается после прохождения поршнем в. м. т. в начальный период такта впуска. К этому времени впускной клапан также будет открыт.

Читать еще:  Горит чек неисправности двигателя мерседес

Период одновременного открытия клапанов называется перекрытием клапанов. Опережение начала открытия выпускного клапана вызвано тем, что к концу рабочего хода газы только нагревают двигатель, не оказывая существенного давления на поршень. Кроме того, при этом противодавление на поршень во время тадта выпуска становится слабее и улучшается очистка цилиндра.
В результате запаздывания закрытия выпускного клапана удлиняется время очистки, и хотя уже начинается такт впуска, отработавшие газы продолжают выходить из цилиндра по инерции. Таким образом, в начале такта выпуска газы выходят из цилиндра под действием повышенного давления в цилиндре, затем выталкиваются поршнем и в начале такта впуска выходят по инерции.
Начало открытия и конец закрытия клапанов относительно положения поршня в цилиндре выражаются в градусах поворота коленчатого вала. Кроме того, положение поршня можно определить по расстоянию (в мм), на котором поршень должен нахо- диться от мертвых точек.
Наивыгоднейшие фазы газораспределения для каждого типа двигателя определяются при его конструировании и испытании с учетом назначения мощности, числа оборотов двигателя, а также расхода топлива, расположения клапанов, формы камеры сгорания, формы и сечения впускных и выпускных патрубков и других осо- бенностей двигателя.
Правильная, работа механизма газораспределения обеспечивается соответствующей формой кулачка, промежуточных рычагов, толкателей и коромысел. Фазы, указываемые заводом, получаются только в случае правильной установки газораспределения и соблюдения рекомендованного для двигателя теплового зазора в приводе клапанов.
В связи с трудностью изготовления эффективно и надежно работающего клапанного механизма газораспределения для высокооборотных двигателей применяют усовершенствованные и новые механизмы газораспределения. Снова, например, выпу- скаются мотоциклы с двигателем, имеющим такой механизм газораспределения, в котором не только открытие, но и закрытие клапанов осуществляется кулачками без- пружин. Создаются роторные поршневые двигатели (например, двигатели Ванкеля) и двигатели с золотниковым газораспределением. При испытаниях некоторых двигателей с такими механизмами газораспределения _ получены хорошие результаты. Однако до сих пор ни одной из предложенных конструкций не удается успешно конкурировать с широко распространенным обычным клапанным механизмом газораспределения.

Что такое верхнеклапанный двигатель и нижнеклапанный

  • О ДВС
  • История ДВС
  • Техническая информация
  • Двигатель года
  • Надежность
  • Долговечность
  • Сгорание
  • Контакты
  • Экономичность
  • Холодный пуск
  • Двигатели с турбонаддувом
  • Регулируемые системы газораспределения
  • Токсичность двигателей внутреннего сгорания
  • Динамика и конструирование
Механизм газораспределения: клапанные механизмы газораспределения
Техническая информация

Клапаны, перекрывающие впускные и выпускные отверстия цилиндров, называются соответственно впускными ивыпускными. Каждый цилиндр четырехтактного двигателя должен иметь, как минимум, два клапана: один впускной и один выпускной. Если цилиндры снабжены тремя или как в дизеле В-2 четырьмя клапа­нами, то два из них управляют впуском.

В зависимости от расположения клапанов относительно цилиндра различают нижнеклапанные, верхнеклапанные исмешанныемеха­низмы газораспределения.

Нижнеклапанное газораспределение является самым простым из клапанных механизмов. Оно характеризуется тем, что впускные и выпускные клапаны расположены сбоку цилиндра, поэтому эти механизмы называют механизмами с боковым расположением кла­панов.

Рассмотрим устройство и принцип работы нижнеклапанного механизма на примере 6-цилиндрового двигателя ГАЗ-51 (рис. 1, а). Клапаны 8 и 9, имеющие грибовидную форму (головку со стержнем), нагружены клапанными пружинами 11, которые закрепляются на стержнях с помощью тарельчатой шайбы 3 и сухарей 4. В резуль­тате действия этих пружин клапаны плотно перекрывают впускное и выпускное отверстия цилиндра. Под стержнями клапанов уста­новлены толкатели 16, опирающиеся своей тарельчатой частью на распределительный вал 14. Распределительный или кулачковый вал, имеющий 12 кулачков (по числу клапанов), при помощи шесте­рен привода получает вращение от коленчатого вала двигателя, вследствие чего кулачки набегают на толкатели и поднимают их вместе с клапанами. В рассматриваемом случае кулачок 15 откры­вает впускной клапан 8 и надпоршневая полость цилиндра соеди­няется с впускным каналом 6. Далее при вращении кулачкового вала 14 клапанная пружина 11 опускает клапан на седло 20. Так кулачки вала со строго заданной последовательностью откры­вают, а пружины закрывают перемещающиеся в своих направляю­щих втулках 19 впускные и выпускные клапаны, обеспечивая смену рабочего тела в цилиндрах.

Рис. 1 — Механизмы газораспределения:

а) с нижним расположением клапанов: 1— ниша для сбора масла: 2 — полость коробки клапанов: 3 — шайба опорная (тарельчатая); 4 — сухарики; 5 — блок цилиндров; в—впускной канал; 7—головка цилиндров: 8,9 — впускной и выпускной клапаны; 10 20 — гнезда (седла) клапанов; 11— пружина; 12 — контргайка: 13 — проточка на стержне толкателя; 14 — распределительный вал; 15 — кулачки; 16 — толкатели; 17 — болт регулировочный: 18 — головка болта; 19 — направляющие втулки;

б) с верх­ним расположением клапанов: 1- кулачок; 2 — картер; 3 — толкатель; 4 — штанга; 5 — стойка крепления валика коромысел; 6 — коромысло; 7 — валик коромысел: 8 — регулировочный болт; 9 — контргайка; 10 — наконечник стержня клапана; 11-тарелка пружин; 12 — сухарики; 13 – наружная пружина; 14- внутренняя пружина клапана- 15 — опорная шайба; 16 — направляющая втулка; 17 — клапан; 18 — седло клапана; 19 — головка цилиндра;

в) со смешанным расположением клапанов: 1- впуск­ной клапан; 2 и 7 — направляющая втулка; 3 и 8 — пружина; 4 — коромысло; 5 — штан­га 6— выпускной клапан; 9 — толкатель; 10 — распределительный вал

Чтобы повысить плотность прилегания клапанов к сёдлам перекрываемых ими отверстий впуска и выпуска, клапаны и сёдла выполняются с конусными фасками. С этой же целью между толкателем и стержнем клапана помещают регулировочный болт 17 с контргайкой 12, доступ к которым осуществляется через полость 2. Регулировочный болт ввертывают в тело толкателя так, чтобы обеспечить гарантированный зазор между его головкой 18 и стержнем клапана в рабочем (горячем) состоянии и надежно фиксируют гайкой 12. Благодаря этому усилие пружины 11 полностью передается на уплотнительную фаску клапана как в холодном так и в горячем состоянии деталей механизма газораспределения и остова двигателя.

Нижнеклапанному газораспределению присущи не только простота механизма и повышенная жесткость конструкции, но и срав­нительно небольшой шум работы, что очень важно для автомо­бильного двигателя. Однако такая конструкция ограничивает воз­ сжатия, не превышающих 7,5 единиц. Кроме того, камеры сгора­ния, применяемые для нижнеклапанных двигателей, имеют отно­сительно большие поверхности охлаждения, через которые непроиз­водительно теряется часть тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Потеря этого тепла ухудшает экономичность двигателя.

Верхнеклапанное газораспределение размещается одновременно в блоке и в головке цилиндров (рис. 1, б). Клапаны 17 располо­жены (подвешены) над цилиндром, поэтому такие механизмы назы­вают иногда механизмами с подвесными клапанами. Принцип их работы не отличается от рассмотренных выше нижнеклапанных, но конструкцию они имеют более сложную. Открытие клапанов обеспечивается при этом следующими дополнительными деталями: коромыслом 6, шарнирно посаженным на ось 7, закрепленную в стойках (кронштейнах) 5, и толкающей штангой 4, передающей усилия от толкателя 3 к коромыслу 6.

Применение верхнеклапанных механизмов приводит к увеличе­нию высоты двигателя и заметно снижает общую жесткость системы. Тем не менее автомобильные карбюраторные двигатели в настоящее время строят верхнеклапанными (дизели вообще имеют только верхнеклапанное газораспределение). Верхнеклапанное газорас­пределение снимает ограничения по степени сжатия и уменьшает гидравлическое сопротивление на впуске. Это улучшает на 7—8% наполнение цилиндров и позволяет более рационально компоновать камеры сгорания, повышая этим общее использование тепла в ци­линдрах.

Снижение жесткости механизма наблюдается при работе двига­теля с большим числом оборотов коленчатого вала вследствие деформации штанг и других деталей. Как результат этого, закон подъема клапанов, т. е. зависимость высоты их подъема от угла поворота кулачков, нарушается и на некоторых участках не соот­ветствует профилю кулачков распределительного вала, который подбирается из условий наивыгоднейшего наполнения. Опыты пока­зывают, что деформация деталей механизма приводит к ухудшению мощностных и экономических показателей двигателя. Для устра­нения этого явления в современных быстроходных двигателях рас­пределительный вал устанавливают на головке блока, что значи­тельно упрощает кинематическую связь между его кулачками п клапанами. Двигатели такого типа обычно называются двигате­лями с верхним расположением распределительного вала.К ним относятся двигатель отечественного производства МЗМА-412 и ряд современных зарубежных двигателей: БМВ-2000 (ФРГ), Форд-427 и Понтиак-216 (США), Фергюсон (Англия).

Конструкции различных механизмов газораспределения с верхним распределительным валом показаны на рис. 2.

Рис. 2 — Механизмы газораспределения с верхним расположением кулачко­вого вала:

а) с непосредственным воздействием кулачков на клапаны (дизель В-2); б) устройство для регулирования зазора в клапанном механизме (дизель В-2); в) передачей усилий от кулачков на клапаны через коромысла (двигатель Форд-427); г) с передачей усилий через промежуточный рычаг (двигатель Понтиак-216)

На рис. 2, а представлено газораспределение V-образного дизеля В-2 с непосредственным воздействием кулачков распреде­лительных валов на клапаны. Этот способ привода весьма эффек­тивен, но имеет следующие недостатки: создает большое боковое усилие, передающееся на стержень клапана в процессе его подъема, отличается сложностью регулировки зазоров между клапанами и распределительным валом. Возникающие при этом боковые уси­лия приводят к изгибу стержня клапана и увеличению его износа.

На практике износ стержней уменьшают двумя способами: исполь­зуют утолщенные стержни клапанов или освобождают их от вос­приятия боковых усилий. Так, в дизеле В-2 стержни клапанов имеют толщину 18 мм, что примерно вдвое превышает обычные размеры стержней клапанов, применяемых в автомобильных дви­гателях. Поэтому в двигателях автомобильного типа чаще прибе­гают к разгрузке стержней путем передачи силы, возникающей от действия кулачков (иногда и от коромысел), на специальные стаканы, накрывающие стержни и пружины клапанов и переме­щающиеся в своих направляющих гнездах.

Регулировка клапанов в дизеле В-2 производится с помощью устройства, показанного на рис. 2, б, состоящего из опорной тарелки 2 с резьбовой частью, ввернутой в стержень 1 клапана и замочной шлицевой шайбы 3, которая одевается на шлицованный конец стержня клапана и прижимается к тарелке 2 клапанной пружиной. На соприкасающихся горцах замочной шайбы и тарелки клапана имеются пояски радиальных треугольных шлиц, фикси­рующих тарелку в заданном положении относительно стержня. На рис. 2, в, г показаны механизмы, в которых усилия от кулач­ков распределительного вала передаются стержням клапанов через коромысла и промежуточные рычаги. Коромысла используются довольно часто, но они тоже полностью не разгружают стержни клапанов от воздействия боковых сил. Однако величина их всегда бывает меньше, чем в рассмотренном механизме дизеля В-2. С этой точки зрения более практична конструкция механизма, применяе­мая на двигателе Понтиак-216 (см. рис. 2, г), где боковые усилия на стержень клапана вообще не передаются, а воспринимаются штоком специального гидравлического устройства, на которое опирается промежуточный рычаг. Наличие гидравлической опоры у рычага обеспечивает постоянный контакт его с кулачком распре­делительного вала и исключает тем самым необходимость регу­лировки зазоров в процессе эксплуатации.

При смешанном расположении клапанов(см. рис. 1, в) в голов­ке цилиндра устанавливают впускные клапаны, а в блоке — выпуск­ные. Благодаря этому удается несколько упростить общую кон­струкцию механизма и одновременно использовать преимущества верхнеклапанного газораспределения.

Однако перспективным клапанным газораспределением является не смешанное, а верхнеклапанное с кулачковым валом, располо­женным на головке цилиндра (см. рис. 2). Такое газораспределение обеспечивает падежную работу клапанного механизма и в совре­менных быстроходных двигателях.

Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г

Что такое верхнеклапанный двигатель и нижнеклапанный

Накануне Великой Отечественной войны в СССР был принят к производству, рассчитанный на большие объемы выпуска, тип тяжелого мотоцикла с коляской. Он предназначался для создания в Красной армии мотоциклетных частей и подразделений, а также для замены прежних моделей тяжелых мотоциклов — ТИЗ АМ-600, ПМЗ-А750, Л-600. В результате экономического сотрудничества с гитлеровской Германией — уже после подписания «Пакта Молотова-Риббентропа» — Советский Союз официально купил лицензию на выпуск немецкого мотоцикла с коляской класса 750 см 3 BMW R71 с двухцилиндровым оппозитным четырехтактным нижнеклапанным двигателем. Правда, комплекта технической документации советские конструкторы так и не получили — чертежи большинства деталей и оснастку для их изготовления пришлось готовить путем тщательного обмера деталей закупленных образцов. Адаптацией немецкого мотоцикла к технологиям советской промышленности занималось КБ московского завода «Искра», которое возглавлял Н.П. Сердюков.

В СССР мотоцикл получил марку М-72. Выпускать такие транспортные средства планировали на заводах в Москве, Ленинграде и Харькове. Вероятно, буква М как раз обозначала Московский велосипедный завод, расположенный в районе Кожухово в южной части столицы. Перед войной он считался головным предприятием по производству М-72. Однако осваивали, передовые по конструкции узлы и агрегаты мотоцикла, более мощные предприятия автомобильной промышленности. Например, двигатели выпускал ЗИС, коробки передач — КИМ, коляски поступали с Горького с ГАЗа. Для выпущенного параллельно в Харькове М-72 двигатели собирал Киевский завод медицинских инструментов. В Ленинграде — на «Красном Октябре» — где был накоплен почти 10-летний опыт производства мотоциклов, с освоением производства новейшей модели сумели справиться наиболее успешно.

Общими усилиями в январе 1941 года удалось наладить выпуск М-72, и он был принят на вооружение Красной армии. Современные историки иногда сравнивают начало выпуска М-72 с постройкой ВАЗа — и в том и в другом случае советская промышленность освоила современную европейскую массовую модель, рассчитанную на невиданные прежде объемы производства, при этом значительно более передовую, чем все прежние отечественные машины. Мотоциклетные заводы начала 40-х годов создали боевой мотоцикл, сыгравший существенную роль в обороне страны. Именно появление М-72 позволило сформировать в Красной армии высокомобильные мотоциклетные части. Например, существовали подразделения, в которых парой служили два экипажа на двух мотоциклах. Первый экипаж перевозил в коляске 82-миллиметровый миномет, второй — снаряды к нему. Мотоциклы с коляской широко применялись для разведки и патрулирования. Таким образом, Красная армия получила такой же род войск, какой был давно и хорошо организован у основного противника — Вермахта.

В М-72 было воплощено много технических решений, которые прежде на советских мотоциклах не применялись: дуплексная рама, телескопическая передняя вилка, пружинная подвеска заднего колеса. Крутящий момент на ведущее колесо передавался не цепью, а карданным валом. Новинкой стало ножное переключение передач — под правой ногой мотоциклиста появился рычаг с шишечкой на конце. Современная машина требовала модернизации технологии производства. Например, заводам пришлось учиться отливать сложные картеры двигателя и коробки передач из алюминиевых сплавов, налаживать прокат труб переменного сечения для рамы. Технологией нарезки конических шестерен главной передачи «Глисон» перед войной владели только ЗИС и ГАЗ.

Советский мотоцикл отличался от немецкого прототипа несущественными, но формирующими внешний облик, навесными деталями. У него заметно крупнее бензобак, иные по форме крылья, отечественные приборы электрооборудования.

Отдельная тема — оппозитный двигатель, у которого из-за конструкции коленчатого вала левый цилиндр на 39,2 мм смещен вперед относительно правого, а за питание каждого из цилиндров отвечает отдельный карбюратор. Мотор работал исключительно мягко и тихо для мотоцикла. У М-72 без коляски шума двигателя при езде практически не было слышно. Он » подавал голос» только при наличие коляски. Нижнеклапанный мотор с низкой степенью сжатия обладал эластичностью и неприхотливостью к качеству топлива.

Пик крутящего момента на низких оборотах улучшал тяговые качества и проходимость мотоцикла, динамику разгона на шоссе. Оппозитная компоновка с одной стороны обеспечивала низкий центр тяжести мотоцикла и устойчивость к падению, с другой стороны, делала мотор шире, чем положено — на бездорожье цилиндры порой задевали за кочки и корни деревьев, мешали мотоциклисту в опасной ситуации избежать падения, резко выбросив в сторону ногу. Тем не менее, оппозитная схема отличала моторы всех послевоенных отечественных тяжелых мотоциклов, а в 50-е годы в НАМИ предпринимались попытки использования двигателя типа М-72 на опытных малолитражных автомобилях.

С началом войны все три завода пришлось эвакуировать. Московский завод — на Урал, в Ирбит, ленинградский и харьковский — в г. Горький. В результате, на территории завода «Красная Этна» возник Горьковский мотоциклетный завод. Он успешно выпускал М-72 в конце войны и после Победы. Но в 1949 году правительство приняло решение перепрофилировать Горьковский мотоциклетный завод, а выпуск необходимых стране М-72 передать в Киев, где первые М-72 сошли с конвейера только в 1951-м году. Основным производителем М-72 оказался Ирбитский завод. Туда же перевели из Москвы Конструкторское бюро, отвечавшее за дальнейшее усовершенствование мотоцикла. После войны производство колясок тоже передали из Горького в Ирбит.

В конце 40-х и начале 50-х годов М-72 много раз модернизировали, причем в Ирбите вводили свои изменения, а в Киеве — свои. На базе М-72 было разработано и построено немало спортивных мотоциклов. После 1956 года года Ирбитский завод производил существенно модернизированные М-72М, а Киевский — сначала М-72Н, а затем — К-750. Если на Урале уже в 1961 году на смену М-72 пришел мотоцикл «Урал» М-61 с верхнеклапанным двигателем, то в столице Украины нижнеклапанный «оппозит» дожил на конвейере до 80-х годов.

Техническая характеристика

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector