Лекция 3

Тема лекции

Газораспределительный механизм,

системы охлаждения и смазки двигателя

см. также Презентацию к лекции 3

План лекции

3.1 Назначение ГРМ.

3.2 Устройство и работа ГРМ.

3.3 Привод распределительного вала.

3.4 Фазы газораспределения. Их влияние на работу двигателя.

3.5 Назначение системы охлаждения.

3.6 Общее устройство и работа жидкостной системы охлаждения.

3.7 Назначение системы смазки.

3.8. Общее устройство и работа системы смазки. Способы подачи масла к трущимся поверхностям.

Содержание лекции

3.1. Назначение ГРМ

Механизм газораспределения служит для открытия и закрытия клапанов, обеспечивая наполнение цилиндров двигателя горючей смесью (карбюраторные двигатели) или воздухом (дизели), выпуск отработавших газов и надежную изоляцию камеры сгорания от окружающей среды во время тактов сжатия и рабочего хода.

Четырехтактные автомобильные двигатели имеют клапанные механизмы газораспределения, в которых впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов происходит при помощи впускных и выпускных клапанов.

3.2. Устройство и работа ГРМ

В большинстве двигателей ПА и АСА распределительные валы установлены в блоке цилиндров – нижнее расположение вала. Распределительные валы устанавливают и на головках блока – верхнее расположение вала (двигатели автомобилей «Газель», «Соболь»). В этом случае механизм газораспределения проще, но имеет довольно сложный привод. Обычно механизм газораспределения приводится в движение от коленчатого вала через зубчатые колеса.

Рис. 3.1. Схема механизма газораспределения с верхним расположением клапанов

1 – распределительный вал; 2 – толкатель; 3 – пружина; 4 – направляющая втулка; 5 – клапан; 6 – штанга; 7 – коромысло; ГС – горючая смесь.

В механизме с верхним расположением клапанов при вращении распределительного вала кулачок 1 (рис. 3.1) набегает на толкатель 2, и поднимает его вместе со штангой 6 вверх. Штанга поворачивает коромысло 7, которое бойком нажимает на стержень клапана. Вследствие этого клапан опускается вниз, и цилиндр соединяется с впускным или выпускным трубопроводом. Пружина 3 клапана сжимается. После наполнения или очистки цилиндра кулачок выходит из-под толкателя, и клапан под действием пружины опускается на седло. Клапан передвигается в направляющей втулке 4, запрессованной в головке цилиндров. Пружина одним концом опирается на тарелку, соединенную с клапаном при помощи сухарей, а другим – в опорную шайбу.

3.3. Привод распределительного вала

Вал приводится во вращение у двигателей ЗИЛ двумя шестернями с косыми зубьями, одну из которых крепят на коленчатом, а другую – на распределительном валу. У двигателей ЗИЛ-130 шестерня распределительного вала изготовлена из чугуна. При установке шестерен необходимо совмещать метки на их зубьях. От осевого смещения распределительный вал удерживает фланец, который крепят двумя болтами к передней стенке блока цилиндров.

В двигателе КамАЗ-740 привод распределительного вала осуществляется от шестерни коленчатого вала через промежуточные шестерни, расположенные на заднем торце блока двигателя; шестерни также устанавливаются по меткам. Осевое перемещение вала предотвращает подшипник задней опоры, крепящийся к блоку тремя болтами.

На автомобилях с верхним расположением распределительного вала (Газель) он приводится в движение при помощи цепной передачи или зубчатого ремня.

Привод распределительного вала осуществляется через прикрепленную к его переднему концу ведомую шестерню. Она находится в зацеплении с ведущей стальной шестерней, установленной на коленчатом валу. Обе шестерни выполнены косозубыми для уменьшения шума и обеспечения плавной работы. Передаточное отношение шестеренного привода – отношение числа зубьев ведущей шестерни к числу зубьев ведомой шестерни – равно 1:2, т.е. ведомая шестерня имеет в два раза больше зубьев, чем ведущая шестерня. Это необходимо для того, чтобы за два оборота коленчатого вала распределительный вал совершал один оборот, обеспечивая за полный цикл двигателя открытие впускного и выпускного клапанов каждого цилиндра по одному разу.

Распределительные зубчатые колеса необходимо точно соединять по меткам для правильной установки фаз газораспределения.

3.4. Фазы газораспределения. Их влияние на работу двигателя

При рассмотрении рабочих циклов двигателей условно принято, что открытие и закрытие клапанов происходит в момент нахождения поршня соответственно в ВМТ или в НМТ. В действительности моменты открытия и закрытия клапанов не совпадают с положением поршней в мертвых точках.

Рис. 3.2. Диаграммы фаз газораспределения двигателя автомобиля ЗИЛ-130:

1 – 2 – фаза впуска; 3 – 4 – фаза выпуска;

О – центр вращения коленчатого вала

Клапаны открываются и закрываются с некоторым, иногда очень значительным, опережением или запаздыванием, что необходимо для улучшения наполнения цилиндров горючей смесью и лучшей очистки их от отработавших газов. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала по отношению к соответствующим мертвым точкам, называют фазами газораспределения и изображают в виде круговых диаграмм (рис 6.2).

Рассмотрим диаграмму фаз газораспределения четырехтактного двигателя ЗИЛ-130. Впускной клапан открывается (точка 1) с опережением (угол α), т. е. до прихода кривошипа коленчатого вала и поршня в ВМТ. Вследствие этого в начале движения поршня вниз впускной клапан будет уже открыт на значительную величину, и наполнение цилиндра (вследствие разрежения) воздухом или горючей смесью улучшается. Закрывается впускной клапан (точка 2) с запаздыванием (угол δ), т. е. кривошип вала и поршень проходят НМТ, поднимаются вверх, совершая такт сжатия, а клапан в это время еще открыт, и горючая смесь по инерции заполняет цилиндр.

Выпускной клапан открывается (точка 3) до прихода кривошипа коленчатого вала и поршня в НМТ, т. е с опережением (угол γ). Поршень движется вниз, а отработавшие газы уже начинают выходить из цилиндра, так как давление в нем больше атмосферного. Поэтому при движении поршня вверх, во время такта выпуска, меньше затрачивается работы на удаление отработавших газов из цилиндра двигателя. Закрытие выпускного клапана (точка 4) происходит с запаздыванием (угол β) — после перехода кривошипом вала и поршнем ВМТ. В этом случае используется отсасывающее действие потока газов в выпускном трубопроводе.

Таким образом, в результате открытия выпускного клапана с опережением и закрытия его с запаздыванием улучшается очистка цилиндра от отработавших газов. Анализируя диаграмму, видим, что в течение некоторого времени, за которое коленчатый вал поворачивается на угол, равный сумме углов α + β, открыты оба клапана — впускной и выпускной. Этот период называют перекрытием клапанов. Он необходим для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов.

Таким образом продолжительность открытия клапанов будет: впускного – 294˚; выпускного – 294˚. Угол перекрытия клапанов – 78˚.

3.5. Назначение системы охлаждения

В современных автомобильных двигателях в полезную работу превращается лишь 23-40% теплоты, выделяющейся в цилиндрах двигателя, остальная теплота уносится отработавшими газами, с охлаждающей жидкостью или воздухом и затрачивается на трение, рассеивание в окружающую среду внешними поверхностями двигателя и др.

Теплота, используемая на выполнение полезной работы, а также ее затраты на указанные виды потерь составляют тепловой баланс двигателя.

Так как сгорание в двигателе происходит при высоких температурах, достигающих 2100-2300 °С, то без принудительного охлаждения такие детали, как цилиндр, поршень и направляющие втулки клапанов, нагревались бы до температуры, значительно превышающей температуру воспламенения (вспышки) масла.

Поэтому для поддержания нормального теплового режима работы узлов и механизмов необходимо непрерывно отводить теплоту от взаимодействующих деталей, не допуская их перегрева. Для этого и служит система охлаждения двигателя.

Количество теплоты, которое должна отводить система охлаждения, зависит от мощности и режимов работы двигателя.

При перегреве двигателя увеличиваются силы трения и изнашивание деталей, уменьшаются тепловые зазоры, происходит коксование масла с отложением нагара, ухудшается наполнение цилиндров карбюраторных двигателей горючей смесью, а дизелей – очищенным воздухом. Однако при чрезмерном отводе тепла возникает переохлаждение двигателя, которое вызывает изменение вязкостных свойств масла, что приводит также к увеличению изнашивания деталей и механических потерь на трение, снижению мощности и экономичности двигателя.

Поэтому следует поддерживать тепловой режим двигателя в пределах 85-95 °С независимо от его нагрузки и температуры окружающей среды.

3.6. Общее устройство и работа жидкостной системы охлаждения

Большинство двигателей имеет жидкостные системы охлаждения. Распространение получили закрытые системы охлаждения с принудительной циркуляцией жидкости. В данных системах внутреннее пространство только периодически сообщается с окружающей средой при помощи специальных клапанов. В этих системах повышается температура кипения охлаждающей жидкости, уменьшается ее выкипание и образование накипи. Жидкость подается в двигатель насосом под давлением. Интенсивность циркуляции жидкости и обдув радиатора воздухом зависят от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Открытые системы охлаждения на автомобильных двигателях не применяются.

Принципиальная схема жидкостной системы охлаждения двигателя показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема жидкостной системы охлаждения двигателя:

1 – радиатор; 2 – верхний бачок; 3 – пробка радиатора; 4 – контрольная трубка; 5 – верхний патрубок радиатора; 6 и 19 – резиновые шланги; 7 – перепускной шланг; 8 и 18 – соответственно отводящий и подводящий патрубки; 9 – термостат; 10 – отверстие; 11 – головка блока; 12 – водораспределительная трубка; 13 – датчик указателя температуры жидкости; 14 – блок цилиндров; 15 и 21 – сливные краны; 16 – водяная рубашка; 17 – крыльчатка водяного центробежного насоса; 20 – нижний патрубок радиатора; 22 – нижний бачок радиатора; 23 – ремень привода вентилятора; 24 – вентилятор

Система охлаждения автомобильного двигателя состоит из водяной рубашки 16, радиатора 1, вентилятора 24, термостата 9, насоса с крыльчаткой 17, отводящего 8 и подводящего 18 патрубков, ремня 23 привода вентилятора, датчика 13 указателя температуры жидкости, сливных кранов 15 и 21 и других деталей. Вокруг цилиндров двигателя и головки блока имеется пространство с двойными стенками (водяная рубашка или водяная полость), где циркулирует охлаждающая жидкость.

Во время работы двигателя охлаждающая жидкость нагревается и подается водяным насосом в радиатор, где она охлаждается, а затем снова поступает в рубашку блока цилиндров. Для надежной работы двигателя необходимо, чтобы охлаждающая жидкость постоянно циркулировала по замкнутому кругу двигатель — радиатор — двигатель. Жидкость может циркулировать по малому кругу, минуя радиатор (непрогретый двигатель, термостат закрыт), или по большому кругу, поступая в радиатор (прогретый двигатель, термостат открыт). Направление движения охлаждающей жидкости показано на рис. 2 стрелками.

Водяная рубашка 16 двигателя состоит из рубашки блока цилиндров и рубашки головки блока, соединенных между собой отверстиями в прокладке между головкой и блоком. Крыльчатка 17 водяного центробежного насоса и вентилятор приводятся в действие клиновидным ремнем 23. При вращении крыльчатки насоса охлаждающая жидкость нагнетается в водораспределительную трубку 12, расположенную в головке блока. Через отверстия 10 в трубке жидкость направляется к патрубкам выпускных клапанов, благодаря чему охлаждаются наиболее нагретые части головки блока и цилиндров. Нагретая охлаждающая жидкость поступает в верхний отводящий патрубок 8. Если термостат 9 закрыт, то по перепускному шлангу 7 жидкость снова поступает к центробежному насосу. При открытом термостате охлаждающая жидкость проходит в верхний бачок 2 радиатора, охлаждается, протекая по трубкам и поступает в нижний бачок 22 радиатора. Охлажденная в радиаторе жидкость по нижнему подводящему патрубку 18 подводится к насосу.

В качестве охлаждающих жидкостей применяется вода или ее этиленгликолевые смеси – антифризы. Широкое распространение получили смеси, замерзающие при низкой температуре – ТОСОЛ А-40 и ТОСОЛ А-65. Оба антифриза получают разбавлением технического этиленгликоля водой, например ТОСОЛ А-40 представляет собой 50%-ную смесь воды с этиленгликолем, которая при температуре – 40 °С превращается не в лед, а в густую массу, не вызывающую повреждения блока цилиндров или радиатора.

3.7. Назначение системы смазки

Назначение смазочной системы. Поверхности сопряженных деталей двигателя отличаются высокой точностью и качеством обработки. Однако на них имеются микроскопические неровности, которые при перемещении одной детали по другой создают силу трения. Она зависит от точности обработки трущихся поверхностей, давления и относительной скорости перемещения деталей. На преодоление силы трения затрачивается 10...15% мощности двигателя.

Для уменьшения трения между поверхностями соприкасающихся деталей вводят слой масла. В этом случае происходит жидкостное трение, т. е. трение между частицами масла. Тогда сила трения значительно уменьшается, и детали почти не изнашиваются, предохраняются от коррозии, зазоры между ними уплотняются.

Кроме того, масло, проходя между трущимися поверхностями, охлаждает их и уносит твердые частицы, образующиеся при износе.

Для смазывания деталей автомобильных двигателей применяют масла, полученные путем переработки остатков нефти после отгонки из нее жидких топлив. Масла должны иметь следующие стабильные свойства: соответствующую вязкость, возможно низкую температуру застывания и высокую температуру вспышки; в них должны отсутствовать механические примеси, кислоты, щелочи и вода.

3.8. Общее устройство и работа системы смазки. Способы подачи масла к трущимся поверхностям

У двигателя ЗМЗ-53 (рис. 3.4) двухсекционный шестеренный масляный насос прикреплен снаружи к верхней, части картера двигателя с левой стороны и приводится в действие вместе с валиком распределителя системы зажигания от распределительного вала двигателя. Верхняя секция масляного насоса нагнетает масло в горизонтальную масляную магистраль, расположенную продольно в верхней части картера с правой стороны.

От нижней секции насоса масло по каналам в картере и наружному маслопроводу поступает в центробежный очиститель масла с реактивным приводом (центрифугу), откуда сливается в поддон картера, смазывая при этом распределительные шестерни.

Рис. 3.4. Схема смазочной системы двигателя ЗМЗ-53 (автомобиль ГАЗ-66):

1 – центробежный очиститель масла; 2 – предохранительный клапан; 3 – кран масляного радиатора; 4 – масляный радиатор; 5 и 7 – редукционные клапаны; 6 – маслоприемник;

8 – масляный насос.

Из масляной магистрали под давлением смазываются коренные и шатунные подшипники коленчатого вала, подшипники распределительного вала и ось коромысел. Разбрызгиванием смазываются зеркало цилиндров, втулки верхних головок шатунов, стержни клапанов, толкатели и кулачки распределительного вала. Привод и шестерни распределителя смазываются маслом, поступающим из полости, расположенной между пятой шейкой распределительного вала и заглушкой блока цилиндров.

Масляный насос при самых сложных условиях эксплуатации обеспечивает необходимое давление в системе. При непрогретом масле давление может превысить допустимое, поэтому в смазочной системе установлены редукционные клапаны, ограничивающие давление.

Редукционный клапан верхней секции насоса, установленный в переднем конце магистрали, ограничивает давление в пределах 0,25...0,40 МПа (2,5...4,0 кгс/см2) при средней скорости автомобиля. При повышении давления клапан перепускает масло в картер.

Редукционный клапан нижней секции насоса отрегулирован на давление 0,35...0,40 МПа (3,5...4,0 кгс/см2); при повышении давления масло циркулирует внутри насоса. Параллельно основной масляной магистрали включен масляный радиатор, расположенный перед радиатором системы охлаждения.

Подводящая трубка радиатора с краном и предохранительным клапаном у ЗМЗ-53 присоединена к масляной магистрали, а отводящая - к поддону, куда сливается охлажденное масло.

Масляный радиатор включают краном при работе двигателя в тяжелых условиях (высокая температура наружного возка, плохая дорога или большая скорость движения).

Предохранительный клапан, установленный перед краном перекрывает путь маслу в радиатор при давлении в системе ниже 0,1 МПа (1 кгс/см2).

Вопросы для самоконтроля

1. Назначение газораспределительного механизма, его типы.

2. Устройство газораспределительного механизма с верхним расположением клапанов.

3. Назначение и устройство клапанов, назначение и крепление клапанных пружин.

4. Способы повышения долговечности и надежности работы клапанов.

5. Типы толкателей, их назначение и устройство.

6. Назначение и устройство распределительного вала. Как фиксируется распределительный вал от осевых смещений?

7. Конструктивные особенности распределительных валов двигателей ЗМЗ-406, ЗИЛ-130, ЯМЗ-238, КамАЗ-740.

8. Какие типы приводов распределительного вала применяются на изучаемых двигателях?

9. С какой целью шестерни привода распределительного вала устанавливаются по меткам?

10. Как влияет на работу двигателя изменение теплового зазора в клапанах?

11. Назначение и устройство механизма принудительного поворота клапана двигателя ЗИЛ-130.

12. За счет чего происходит поворот клапана у двигателей ЯМЗ и КамАЗ?

13. Что называется фазами газораспределения? Как они влияют на работу двигателя?

14. Назначение и типы систем охлаждения.

15. Устройство жидкостной системы охлаждения.

16. Способы поддержания постоянного оптимального теплового режима двигателя.

17. Как влияет на работу двигателя излишнее или недостаточное охлаждение?

18. Назначение и устройство радиатора.

19. Назначение и устройство водяного насоса.

20. Устройство и работа термостата с твердым наполнителем.

21. Назначение и устройство вентилятора.

22. Устройство и работа клапанов в пробке радиатора.

23. Привод вентилятора. Устройство и работа гидравлической муфты привода вентилятора двигателя КамАЗ-740.

24. Последовательность движения жидкости по малому и большому кругу.

25. Конструктивные особенности систем охлаждения двигателей ЗМЗ-406, ЗИЛ-130, ЯМЗ-238, КамАЗ-740.

26. Назначение, устройство и работа жалюзи.

27. Какие жидкости применяются для отвода теплоты в жидкостной системе охлаждения?

28. Способы подогрева системы охлаждения перед пуском двигателя.

29. Преимущества и недостатки жидкостной системы охлаждения по сравнению с воздушной.

30. Назначение системы смазки. Способы подачи масла к трущимся поверхностям.

31. Из каких приборов состоит комбинированная система смазки? Их назначение, расположение на двигателе.

32. Устройство и работа масляного насоса двигателя ЗИЛ-130.

33. Особенности устройства масляного насоса дизельного двигателя КамАЗ-740.

34. Назначение и устройство маслоприемника.

35. Устройство и работа фильтра грубой очистки масла.

36. Устройство и работа центробежного масляного фильтра двигателя ЗИЛ-130.

37. Назначение редукционного клапана в системе смазки.

38. Назначение и устройство масляного радиатора.

39. На схемах системы смазки изучаемых двигателей показать путь масла из поддона картера ко всем трущимся деталям двигателя.

40. Назначение вентиляции картера. Какие существуют типы вентиляции картера?

41. Как влияет состояние системы вентиляции картера двигателя на загрязнение окружающей среды?

Литература: [1, с.30-36; 2, с.55-67]; [1, с.42-48; 2, с. 67-81];

[1, с. 36-41; 2, с. 82-99]