Asování ventilů motoru (design automobilu)

Při zkoumání pracovních procesů v motorech bylo zjištěno, že pro lepší plnění válce hořlavou směsí nebo vzduchem a odvod výfukových plynů by se ventily měly otevírat a zavírat nikoli v době, kdy je píst v mrtvém bodě, ale s určitým předstihem v otevírání a zpožděním v zavírání.

Otevírací a zavírací moment ventilů je dán profilem vaček vačkového hřídele, jeho montáží vzhledem ke klikovému hřídeli a mezerami mezi ventily a zdvihátky nebo vahadlami.

Doba od okamžiku otevření ventilu (nebo okna u dvoudobých motorů) do okamžiku jeho uzavření, vyjádřená ve stupních natočení klikového hřídele, se nazývá fáze časování ventilů.

Časování ventilů závisí na otáčkách motoru. Čím vyšší jsou jmenovité otáčky klikového hřídele, tím větší jsou úhly časování ventilů.

Všechny motory mají období, kdy jsou výfukové a sací ventily otevřeny současně. Jedná se o takzvaný moment překrytí ventilů. Okamžik překrytí úhlu otevření sacího ventilu a uzavření výfukového ventilu u motorů vozidel GAZelle (kromě motorů ZMZ-4061 a -4063) je 28° a u motorů ZMZ-4061 a -4063 – 30° Při překrytí ventilů je únik plynu během této doby překrytí výfuku v důsledku krátké doby překrytí výfuku při krátké době překrytí výfuku významný.

Optimální časování ventilů pro každý model motoru je určeno experimentálně. Správné instalace časování ventilů motoru je dosaženo během montáže vyrovnáním speciálních značek na klikovém hřídeli a ozubených kolech vačkového hřídele.

Pokud se výfukový ventil otevře v okamžiku, kdy píst dosáhne BDC, pak bude muset být vynaloženo určité množství výkonu motoru k vytlačení výfukových plynů. Když se výfukový ventil otevře dříve, než píst dosáhne BDC, práce plynů se ztratí, ale spotřeba energie na vytlačení výfukových plynů se sníží. Je zřejmé, že výfukový ventil se musí otevřít v takovém okamžiku, aby ztráta práce plynu v době před výfukem a vynaložení práce při vyhazovacím zdvihu pístu byly minimální, tzn. takže preventivní otevření výfukových ventilů vede k menší ztrátě výkonu motoru, než je výkon vynaložený na vytlačení výfukových plynů, když se výfukové ventily otevřou v okamžiku, kdy píst dosáhne BDC.

Pro lepší čištění válce od zbytků výfukových plynů je vhodné zavírat výfukové ventily nikoli v okamžiku, kdy píst dosáhne TDC, ale s určitým zpožděním, protože výfukové plyny nadále vycházejí z válce setrvačností i poté, co píst přejde TDC. Čím rychlejší je motor, tím větší je úhel zpoždění uzavření výfukového ventilu.

Otevírání sacího ventilu začíná dříve, než píst dosáhne TDC. Tím je zajištěno, že ventil je téměř úplně otevřený v době, kdy píst dosáhne TDC a začne se pohybovat směrem k BDC. U víceválcových motorů se v důsledku sacích zdvihů v jiných válcích hořlavá směs nebo vzduch u dieselových motorů neustále setrvačností pohybuje po sacím traktu. Proto otevírací sací ventily budou mít připravenou hořlavou směs pro vstup do válce a jakmile se ventil otevře, začne do válce vstupovat čerstvá náplň.

Je třeba si uvědomit, že v počátečních okamžicích otevření sacího ventilu je jeho průtoková část velmi malá, takže předpoklady o možnosti propláchnutí válce čerstvou náplní hořlavé směsi nebo vzduchu u dieselových motorů a v důsledku toho o úniku části čerstvé náplně nejsou pravdivé. Překrývání okamžiků otevření sacího ventilu a uzavření výfukového ventilu umožňuje, aby proces sání začal velkou průtokovou plochou u sacího ventilu, což je velmi významné.

V době, kdy píst během sacího zdvihu dosáhne BDC, není válec ještě zcela naplněn hořlavou směsí (nebo vzduchem u dieselových motorů) a zůstává v něm značný podtlak (tlak pod atmosférickým). Proto není vhodné zavírat sací ventil, protože i když se píst pohybuje do TDC, v důsledku přítomnosti vakua vstoupí do válce čerstvá dávka hořlavé směsi. Zpoždění uzavření sacího ventilu umožňuje využít setrvačnost pohybující se hořlavé směsi k lepšímu naplnění válce čerstvou náplní. Pokud se s rostoucími otáčkami klikového hřídele snižuje sací tlak motoru a zvyšuje se setrvačnost plnění, pak je nastaveno větší zpoždění uzavření sacího ventilu.

Pro lepší odvod výfukových plynů a plnění válce hořlavou směsí je nutný profil vačky vačkového hřídele, který by umožňoval okamžité otevírání a zavírání ventilů. Splnění této podmínky je spojeno s velkými obtížemi, spočívajícími v nárůstu setrvačných sil. V praxi je navržen profil, který zajišťuje přijatelnou velikost setrvačné síly při otevírání ventilu.

Jako příklad uvažujme pracovní proces čtyřdobého karburátorového motoru “GAZelle” s přihlédnutím k časování ventilů (obr. 4.8). Sací zdvih začíná, když píst nedosáhne TDC o 12. otáčku klikového hřídele (u motorů ZMZ-4061 a -4063 – 14°). V tomto okamžiku se sací ventily otevřou a válce jsou připraveny přijmout novou náplň. Píst dosáhne TDC a začne se pohybovat směrem dolů. Když píst dosáhne BDC, sací ventil se nezavře a píst se začne pohybovat nahoru do TDC (odpovídá kompresnímu zdvihu). Vzhledem k tomu, že ve válci je stále vakuum, stále do něj proudí čerstvá náplň. Sací ventil se uzavře, když se píst vzdálí od BDC o 60°, počítáno od otáčky klikového hřídele (u motorů ZMZ-4061 a -4063 je to 46°). Sací zdvih tedy pokračuje, počítáno od otevření sacího ventilu, 252° Po uzavření sacího ventilu začíná komprese pracovní směsi.

Rýže. 4.8. Schémata (a-c) časování ventilů motorů a polohy pístů (g) odpovídající časování ventilů: a – celkem čtyřtakt; b — ZIL-508; v — KAMAZ-740; α — úhel předstihu otevření sacího ventilu; β — úhel zpoždění uzavření sacího ventilu; γ — úhel předstihu otevření výfukového ventilu; δ — úhel zpoždění uzavření výfukového ventilu

K zážehu pracovní směsi dochází, když pístu chybí TDC o několik stupňů. To je nezbytné, aby v době, kdy píst dosáhne TDC a začne se pohybovat směrem k BDC, část pracovní směsi již shořela. Zbývající pracovní směs shoří při pohybu pístu do BDC. Pracovní směs hoří rychlostí 30-35 m/s, a pokud dojde k jejímu zapálení v okamžiku, kdy je píst v TDC, nebude možné dosáhnout maximálního tlaku na dno pístu, protože rostoucí tlak by musel dohánět unikající píst. Úhel předstihu zážehu pracovní směsi nebo sání paliva u dieselových motorů nezůstává konstantní, ale závisí na otáčkách klikového hřídele a zatížení motoru. Dieselové motory mají speciální zařízení pro změnu časování zapalování a vstřikování paliva.

Pracovní zdvih končí v okamžiku, kdy se výfukový ventil začne otevírat. U motorů GAZelle se výfukový ventil začíná otevírat, když zbývá 54°, než píst dosáhne BDC (u motorů ZMZ-4061 a -4063 je to 46°), a zavírá se, když píst překročí horní úvratu a vzdálí se od ní o 18°, počítáno podle otáček klikového hřídele (u motorů ZMZ-4061 a -4063 je to 14°). Emise výfukových plynů tedy u těchto motorů pokračuje při 252° (u motorů ZMZ-4061 a -4063 – 240°).

Pro správné nastavení časování ventilů na rozvodových kolech motoru vozidla ZIL-433100 jsou umístěny speciální instalační značky.

Mechanismus distribuce plynu (GRM) zajišťuje včasné nasávání čerstvé náplně hořlavé směsi do válců a uvolňování výfukových plynů. Zahrnuje hnací prvky, rozvodové kolo, vačkový hřídel, díly pohonu ventilů, ventily s pružinami a vodicí pouzdra.

Vačkový hřídel slouží k otevírání ventilů v určitém pořadí v souladu s provozním řádem motoru. Vačkové hřídele jsou odlévány ze speciální litiny nebo kovány z oceli. Pro snížení opotřebení jsou třecí plochy vačkových hřídelů tvrzeny pomocí vysokofrekvenčního proudového ohřevu.

Vačkový hřídel může být umístěn v klikové skříni motoru nebo v hlavě válců. Existují motory se dvěma vačkovými hřídeli v hlavě válců (u víceventilových spalovacích motorů). Jeden se používá k ovládání sacích ventilů, druhý – výfukových ventilů. Tato konstrukce se nazývá DOHC (Double Overhead Camshaft). Pokud je vačkový hřídel pouze jeden, pak se takový rozvodový řemen nazývá SOHC (Single OverHead Camshaft). Vačkový hřídel se otáčí na čepech válcových ložisek.

Ventily jsou poháněny vačkami umístěnými na vačkovém hřídeli. Počet vaček závisí na počtu ventilů. Různé konstrukce motoru mohou mít dva až pět ventilů na válec (3 ventily – dva sací, jeden výfuk; 4 ventily – dva sací, dva výfukové; 5 ventilů – tři sací, dva výfukové). Tvar vaček určuje momenty otevření a zavření ventilů a také výšku jejich zdvihu.

Vačkový hřídel lze od klikového hřídele pohánět jedním ze tří způsobů: řemenovým pohonem, řetězovým pohonem a v případě, že je vačkový hřídel umístěn dole, ozubenými koly. Řetězový pohon je spolehlivý, ale jeho konstrukce je složitější a cena je vyšší. Řemenový pohon je mnohem jednodušší, ale životnost ozubeného řemene je omezená a při jeho prasknutí může dojít k vážným následkům.

Když se řemen přetrhne, vačkový hřídel se zastaví, ale klikový hřídel se dále otáčí. Jaké to má důsledky? U jednoduchých dvouventilových motorů, kde píst zpravidla nedosahuje až k hlavě otevřeného ventilu, se oprava omezuje na výměnu řemene. V moderních víceventilových motorech, když se řemen přetrhne, písty narazí na ventily, které jsou „zaseknuté“ v otevřené poloze. To způsobí ohnutí dříků ventilů a poškození vodítek ventilů. Ve vzácných případech je píst zničen.

Vznětové motory to mají ještě těžší, když praskne řemen. Vzhledem k tomu, že spalovací prostor je umístěn v pístech, zbývá u TDC jen velmi málo místa pro ventily. Při zablokování otevřeného ventilu se tedy zničí zdvihátka, vačkový hřídel a jeho ložiska a je vysoká pravděpodobnost deformace ojnic. A pokud se řemen přetrhne při vysokých rychlostech, může dokonce poškodit blok válců.

Pracovní cyklus čtyřdobého motoru probíhá ve dvou otáčkách klikového hřídele. Během této doby by se měly postupně otevřít sací a výfukové ventily každého válce. Proto se vačkový hřídel musí otáčet dvakrát pomaleji než klikový hřídel a v důsledku toho je ozubené kolo vačkového hřídele vždy dvakrát větší než ozubené kolo klikového hřídele. Ventily ve válcích se musí otevírat a zavírat v závislosti na směru pohybu a poloze pístů ve válci. Během sacího zdvihu, kdy se píst pohybuje z TDC. k BDC by měl být sací ventil otevřený a během komprese, výkonu a výfuku by měl být uzavřen. Pro zajištění takové závislosti jsou na rozvodových kolech provedeny značky pro správnou instalaci.

Ovládání ventilu může být provedeno různými způsoby. S vačkovým hřídelem umístěným dole, v klikové skříni motoru, se síla z vaček přenáší přes tlačníky, tyče a vahadla. U horního uspořádání jsou možné tři možnosti: pohon vahadlem, pohon pákou a pohon tlačníku.

Vahadla (jiné názvy jsou válečkové páky nebo vahadla) jsou vyrobena z oceli. Vahadlo je instalováno na duté nápravě, zajištěné ve vzpěrách na hlavě válců. Jedna strana vahadel spočívá na vačkách vačkového hřídele a druhá strana působí na konec dříku ventilu. Pro snížení tření je do otvoru vahadla vtlačeno bronzové pouzdro. Podélnému pohybu vahadla je zabráněno pomocí válcové pružiny. Při provozu motoru se vlivem zahřívání ventilů prodlužují jejich dříky, což může vést k volnému uložení ventilu v sedle. Mezi dříkem ventilu a špičkou vahadla proto musí být určitá tepelná mezera.

Ve druhé verzi je vačkový hřídel umístěn nad ventily a ovládá je pomocí pák. Vačky vačkového hřídele působí na páky, které po zapnutí kulové hlavy seřizovacího šroubu zatlačí druhým koncem na dřík ventilu a otevřou jej. Seřizovací šroub je zašroubován do pouzdra hlavy válců a zajištěn pojistnou maticí. Existují rozvodové systémy, ve kterých je mezi páku a ventil instalován hydraulický kompenzátor. Takové mechanismy nevyžadují úpravu vůle.

A konečně u třetí možnosti pohonu působí vačkový hřídel při otáčení přímo na zdvihátko ventilu. Existují tři typy zdvihátek: mechanická (tuhá), hydraulická zdvihátka (hydraulické kompenzátory) a válečková zdvihátka. První typ se u moderních motorů prakticky nepoužívá pro vysokou provozní hlučnost a nutnost častého seřizování ventilové vůle. Druhý typ je nejpoužívanější, protože nevyžaduje seřizování a regulaci tepelné mezery a provoz se vyznačuje plynulostí a mnohem menší hlučností. Hydraulický kompenzátor se skládá z válce, pístu s pružinou, zpětného ventilu a kanálků pro přívod oleje. Činnost hydraulického kompenzátoru je založena na nestlačitelnosti motorového oleje, který neustále plní svou vnitřní dutinu a pohybuje pístem, když se v pohonu ventilu objeví mezera.

Válcová zdvihátka se nejčastěji používají u sportovních a nucených motorů, protože zlepšují dynamické vlastnosti vozu snížením tření. V místě kontaktu s vačkou vačkového hřídele mají váleček. Vačka proto nedře, ale odvaluje se podél tlačníku. Díky tomu snesou válečková zdvihátka vyšší zatížení a otáčky a také umožňují vyšší zdvih ventilů. Nevýhody: vysoká cena a hmotnost, a tím i vysoké zatížení součástí rozvodového řemene.

Ventily se používají k periodickému otevírání a zavírání vstupních a výstupních kanálů. Ventil se skládá z hlavy a dříku. Hlava ventilu má úzké zkosení pod určitým úhlem. Zkosení ventilu musí těsně přiléhat ke zkosení sedla. Za tímto účelem jsou vzájemně uzemněny. Hlavy sacích a výfukových ventilů mají různé průměry. Pro lepší plnění válců čerstvou hořlavou směsí je průměr hlavy sacího ventilu zvětšen. Ventily se během chodu motoru zahřívají nerovnoměrně. Výfukové ventily, které přicházejí do styku s výfukovými plyny, se zahřívají. Proto jsou vyrobeny ze žáruvzdorné oceli.

Válcové dřík ventilu má v horní části vybrání pro montážní díly ventilové pružiny. Dřík výfukového ventilu je dutý a naplněný sodíkem pro lepší chlazení. Vřetena ventilů jsou uložena ve vodicích pouzdrech z litiny nebo kovokeramiky. Pouzdra jsou zalisována do hlavy válců.

Ventil je přitlačován k sedlu pomocí válcové ocelové pružiny. Pružina navíc zabraňuje vypadnutí ventilu z vahadla. Pružina má proměnnou rozteč závitů, která je nutná pro eliminaci jejích vibrací. Další možností pro boj s vibracemi je instalace dvou pružin s nižší tuhostí s opačným vinutím. Jedna strana pružiny spočívá na podložce umístěné na hlavě válce a druhá na přítlačné desce. Přítlačná deska je na vřetenu ventilu držena dvěma kónickými krakorci, jejichž vnitřní příruba zapadá do drážky vřetene ventilu. Aby se omezilo pronikání oleje podél dříků ventilů do spalovacího prostoru motoru, jsou na dříky ventilů umístěny krytky deflektorů oleje.

Teoreticky by k otevření a zavření ventilů mělo dojít v okamžiku, kdy píst dosáhne mrtvého bodu. Vzhledem k setrvačnosti procesu, zejména při vysokých otáčkách klikového hřídele, však tato doba nestačí k vpuštění čerstvé směsi a uvolnění výfukových plynů. Proto se sací ventil otevře dříve, než píst dosáhne TDC. na konci výfukového zdvihu, tzn. s předstihem 9-24 stupňů rotace klikového hřídele a uzavře se na začátku kompresního zdvihu, když klikový hřídel projde polohou BDC o 51-64 stupňů. Doba otevření sacího ventilu tedy bude 240-270 stupňů otáčení klikového hřídele, což výrazně zvyšuje množství hořlavé směsi vstupující do válců.

Výfukový ventil se otevře o 44-57 stupňů, než píst dosáhne BDC. na konci pracovního zdvihu a uzavře se poté, co píst dosáhne TDC. výfukový zdvih o 13-27 stupňů. Doba otevření výfukového ventilu je 240-260 stupňů otáčení klikového hřídele.

V motoru jsou momenty (na konci výfukového zdvihu a na začátku sacího zdvihu), kdy jsou oba ventily otevřené. V tomto okamžiku jsou válce propláchnuty čerstvou náplní hořlavé směsi, aby se lépe vyčistily od produktů spalování. Toto období se nazývá překrytí ventilů.

Okamžiky otevření a zavření ventilů vzhledem k mrtvým bodům, vyjádřené ve stupních natočení klikového hřídele, se nazývají fáze časování ventilů.

Hlavní poruchy mechanismu distribuce plynu

Mezi vnější příznaky poruchy rozvodového řemene patří: snížená komprese, praskání v sacím a výfukovém potrubí, ztráta výkonu motoru a kovové klepání.

Snížená komprese, praskání v sacím a výfukovém potrubí a pokles výkonu motoru jsou možné kvůli špatnému sezení ventilů. Špatné dosednutí ventilového sedla je způsobeno karbonovými usazeninami na ventilech a sedlech, dutinami na pracovních plochách, deformacemi hlav ventilů, zlomením ventilových pružin, zablokováním dříku ventilu ve vodicím pouzdru a nedostatkem vůle mezi dříkem ventilu a vahadlem (pákou).

V důsledku neúplného otevření ventilů může dojít k poklesu výkonu motoru a ostrým kovovým nárazům. K této poruše dochází v důsledku velké tepelné mezery mezi dříkem ventilu a vahadlem (pákou) nebo selháním hydraulických kompenzátorů.

Poruchy rozvodového řemene zahrnují také opotřebení ozubených kol vačkového a klikového hřídele, vodicích pouzder ventilů, pouzder vahadel a náprav a také zvýšené axiální posunutí vačkového hřídele.