Знакомьтесь - автомобиль - Иван Максимович Серяков

Чтобы клапан закрывался быстро и плотно, его снабдили сильной пружиной. Один конец ее упирается в тело двигателя, другой соединен со стержнем клапана. Когда кулачок поднимает клапан, пружина сильно сжимается, а уходит кулачок от толкателя, и пружина разжимается, моментально возвращая клапан в седло.

На рисунке изображены два типа механизмов газораспределения: слева – механизм с нижним расположением клапанов, справа – с верхним расположением. На левом рисунке вы видите кулачок распределительного вала, толкатель, пружину и клапан. Когда кулачок набегает на толкатель, то он приподнимается и поднимает клапан кверху. На правом рисунке кулачок действует на толкатель, штангу, а она приподнимает правый конец коромысла. В этот момент левый конец коромысла опускается вниз, открывает клапан. Закрывается клапан также под действием пружины.

Сколько раз во время всего рабочего цикла двигателя должны открыться клапаны? Вспомним: за два оборота коленчатого вала в цилиндре должен быть один такт впуска и один – выпуска. Значит, за это же время должен один раз открыться впускной клапан и столько же выпускной. Должны быть такты, при которых клапаны закрыты.

Мы знаем, что клапаны открываются в то время, когда кулачки распределительного вала набегают на толкатели. Если бы распределительный вал вращался с той же скоростью, как и коленчатый, то за полный рабочий цикл впускной и выпускной клапаны открывались бы по два раза. Но ведь тогда при каждом такте один из клапанов был бы открыт, а следовательно, двигатель не смог бы работать.

Надо чтобы клапаны открывались по разу за рабочий цикл. А как это сделать? Очень просто. Необходимо в два раза замедлить вращение распределительного валика. Достигается это установкой на нем шестерни с числом зубьев в два раза большим, чем на шестерне коленчатого вала. Передаточное число один к двум.

Посмотрите теперь на форму зубьев у шестерен коленчатого и распределительного валов – они косые. И это неспроста. Дело в том, что коленчатый вал вращается неравномерно: то быстро, то медленно. Более того, изменение оборотов нередко происходит рывками. А из практики известно, что прямые зубья при неравномерном вращении стучат, издают лязг. Это не только увеличивает шум, но и усиливает износ шестерен. Косые же зубья входят в зацепление не сразу по всей длине, а лишь частично. Это делает работу их плавной, бесшумной. В некоторых двигателях распределительная шестерня делается из пластмассы – текстолита. Этим тоже снижается шум.

Сейчас на многих автомобильных двигателях устанавливаются подвесные клапаны. Они стоят головками вниз. Здесь для управления клапанами служит насаженное на ось коромысло.

Когда кулачок набежит на толкатель, тот идет вверх и поднимает специальную толкающую штангу. Штанга в свою очередь приподнимает одно плечо коромысла. Другое плечо пойдет вниз и надавит на стержень клапана.

Всем известно, что при нагревании металл расширяется. Клапан при горении смеси в цилиндрах сильно нагревается, и стержень его удлиняется. Элементарный закон физики.

Представьте себе, что мы установили бы клапан таким образом, что в холодном виде его стержень плотно прилегал к толкателю. Тогда во время работы двигателя и при удлинении стержня он упрется в толкатель и не позволит головке сесть в седло. Через щель начнет проходить горючая смесь. Чтобы этого не произошло, между стержнями и толкателями устанавливаются температурные зазоры в 0,2-0,3 миллиметра.

Исключение из правил

Конструкторы стремятся повышать мощность двигателей. Проще всего это достигается увеличением размеров цилиндров и их числа. Но чрезмерное увеличение здесь пользы не даст, и агрегат получится тяжелым и громоздким. Автомобилю же требуется двигатель сравнительно легкий и компактный.

Как же быть? Оказывается, можно избрать другой путь повышения мощности – увеличить число оборотов коленчатого вала, чтобы в единицу времени происходило больше рабочих тактов, улучшить наполнение цилиндра горючей смесью и увеличить степень сжатия.

В настоящее время созданы двигатели, в которых коленчатый вал вращается с молниеносной быстротой, делая по четыре тысячи и даже больше оборотов в минуту. Следовательно, за одну минуту каждый цилиндр должен две тысячи раз заполниться горючей смесью и столько же раз очиститься от отработавших газов. В одну секунду цилиндр должен заполниться и очиститься более тридцати раз!

Когда желают подчеркнуть быстроту, говорят: «Не успеешь глазом моргнуть». А много ли надо времени, чтобы глазом моргнуть? Около одной десятой доли секунды. Цилиндр же за это время успеет заполниться горючей смесью более трех раз! Выходит, времени для заполнения и очистки цилиндра расходуется очень мало.

Заполнение цилиндра смесью и очистка его от отработавших газов зависят от ряда причин. И прежде всего от размера впускных и выпускных окон, от времени, в течение которого они остаются открытыми.

Размеры окон имеют пределы, ограниченные диаметром цилиндра и размерами камеры сжатия. А продолжительность открытия клапанов? Если бы удалось увеличить время, в течение которого клапаны могут остаться открытыми, тогда цилиндр смог бы лучше очиститься, в него поступило бы больше горючей смеси. На первый взгляд это кажется невозможным, ведь время открытия клапанов определено ходом поршня. Впуск смеси должен начаться, когда поршень минует верхнюю мертвую точку и в цилиндре создается разрежение. Заканчивается же наполнение цилиндра, когда поршень придет в нижнюю мертвую точку. Другими словами, за время, отведенное для наполнения цилиндра, коленчатый вал повернется на 180 градусов.

В свою очередь выпускному клапану полагается открываться во время нахождения поршня в нижней мертвой точке, а закрываться по достижении им верхней мертвой точки. И опять за время, отведенное для очистки цилиндра, коленчатый вал повернется на 180 градусов.

Так должна бы работать распределительная система двигателя, если бы времени на очистку цилиндра было больше. Скажем, столько, чтобы коленчатый вал повернулся на 200 градусов. Или даже на 240. Очевидно, тогда цилиндр мог бы лучше очиститься. Соответственно увеличение времени наполнения позволило бы цилиндру принять больше горючего.

Но хорошо сказать: увеличить время выпуска и впуска. Как это сделать? Где взять его, это время?

А нельзя ли хотя бы немного совместить такты работы двигателя? Скажем, еще рабочий ход не закончился, поршень идет вниз, а уже открыть выпускной клапан? Попробовали – получилось. Стали применять на практике.

На двигателе автомобиля «Волга», например, выпускной клапан открывается с опережением в 50 градусов оборота коленчатого вала. Закрывается же он, когда поршень пройдет верхнюю мертвую точку и начинается такт впуска, с запозданием на 22 градуса. Легко подсчитать теперь, что продолжительность очистки цилиндра будет равна времени поворота вала на 252 градуса (50+180+22). Действительно, цилиндры стали очищаться лучше.

А как обстоит дело с заполнением цилиндра? Оказывается, и выпускной клапан открывается не тогда, когда поршень пошел вниз и в цилиндре уже создалось разрежение, а значительно раньше, когда он еще движется вверх, выталкивая отработавшие газы. Конечно, в это время «добровольно»