Конструкции газораспределительных органов 2-х и 4-х тактных двигателей

Министерство образования и науки Российской Федерации Дальневосточный федеральный университет Отчет По индивидуальному заданию по практике на тему:

Конструкции газораспределительных органов 2-х и 4-х-тактных судовых дизелей Выполнил: студент группы К-9421.

Чепурин В.И.

Проверил: Руководитель практики Доцент Соловьев С.П.

Владивосток 2011.

Механизм газораспределения, служащий для управления процессами впуска воздуха в цилиндр и выпуска отработавших газов, состоит из впускных и выпускных органов газораспределения и их приводов.

Рис. 1.

В четырехтактных дизелях применяют клапанное газораспределение (рис. 1). Для обеспечения плотной посадки клапана на седло в приводе клапана предусматривают зазор (во время работы дизеля вследствие нагревания шток клапана удлиняется), который можно регулировать болтом с контргайкой.

При набегании выступа кулачковой шайбы на ролик толкателя штанга поднимается и поворачивает клапанный рычаг относительно оси кронштейна. При этом правый конец рычага нажимает на шток клапана и открывает его, сжимая пружину. При выходе выступа шайбы из-под ролика толкателя силой упругости пружины клапан закрывается. Необходимые фазы газораспределения (моменты начала открытия и конца закрытия клапанов) и законы движения клапанов определяются профилем кулачковых шайб, углом их заклинивания, кинематической схемой клапанного привода и тепловым зазором.

В двухтактных дизелях с прямоточно-клапанной продувкой применяют клапанно-щелевое газораспределение. Для впуска воздуха в цилиндр служат продувочные окна во втулке, которые открываются и закрываются поршнем, а клапанный механизм управляет выпуском газов.

Клапан приводится в действие от кулачковой шайбы через толкатель, штангу и клапанный рычаг (рис 2). Промежуточная тарелка клапанных пружин кронштейнами соединена с клапанным рычагом, а тягами — со стойкой рычага (такое крепление тарелки повышает устойчивость пружин).

В двухтактных дизелях с контурной и прямоточно-щелевой продувками применяют щелевое (бесклапанное) газораспределение. Органами газораспределения являются продувочные и выпускные окна во втулке и поршень, выполняющий функции золотника. У некоторых дизелей ранней постройки продувочные окна перекрыты автоматическими пластинчатыми продувочными клапанами, а выпускные окна — вращающимися заслонками.

Условия работы клапанного механизма.

Механические нагрузки вызываются силами действия газов на тарелку клапана, силами инерции движущихся частей, силами упругости клапанных пружин и усилием со стороны толкателя, являющимся нормальной составляющей от силы действия кулака на толкатель.

В момент начала открытия скорость клапана возрастает от нуля до максимума, силы инерции клапанного механизма направлены в сторону, противоположную движению толкателя (к распределительному валу), и прижимают ролик толкателя к кулачковой шайбе. К моменту полного открытия скорость клапана уменьшается от максимума до нуля, силы инерции имеют противоположное направление (от распределительного вала) и стремятся оторвать ролик толкателя от кулачковой шайбы, но этому препятствуют клапанные пружины. При закрытии клапана действия сил инерции и клапанных пружин будут аналогичными. Отрыв ролика от толкателя приводит к повреждению их рабочих поверхностей, ударам в клапанном механизме, разбиванию фасок клапана и седла, нарушению фаз газораспределения, поэтому сила упругости пружин должна быть всегда больше сил инерции клапанного механизма.

Клапанные пружины испытывают знакопеременную нагрузку, и их материал работает на усталость. Во время работы температура пружины возрастает на 40−50 градусов, а при совпадении частоты собственных колебаний с частотой возмущающей силы подвержена резонансу, приводящему к поломке.

Высокие термические нагрузки газораспределительных клапанов обусловлены их соприкосновением с горячими газами. Клапан воспринимает теплоту через плоскость тарелки от газов в цилиндре (около 80%) и через поверхность перехода от тарелки к штоку от выпускных газов (около 15%). Теплота отводится двумя путями: от тарелки к седлу и далее в охлаждающую воду; через шток направляющей и далее в массу металла и охлаждающую воду.

Температура тарелки впускного клапана может быть более низкой (300−400градусов), чем впускного (450−520градусов), т.к. он охлаждается воздухом в процессе наполнения, а тарелка же выпускного клапана омывается горячими газами. Высокие температуры ухудшают механические свойства материала, вызывают эрозию, коррозию, коробление и неплотное прилегание клапана к седлу, увеличивают опасность заедания штока клапана в направляющей, а иногда приводят к прогоранию тарелки.

К конструкции деталей механизма газораспределения предъявляют следующие основные требования: газораспределительные клапаны должны иметь возможно большие проходные сечения (для улучшения очистки цилиндра от газов и наполнения его воздухом), меньшие температуру и массу (для уменьшения сил инерции), материал клапанов должен быть жароупорным, износостойким, вязким и не должен закаливаться на воздухе (для предотвращения образования закалочных трещин), клапанные пружины должны быть достаточно упругими и иметь высокую усталостную прочность, клапанные рычаги, штанги и толкатели — жесткими, прочными при возможно меньшей массе (для уменьшения сил инерции).

Материал для изготовления впускных клапанов — легированная сталь 40Х, 40ХН или углеродистая сталь 40, 45; выпускных клапанов — высоколегированная сталь 2Х18Н9, ЭСХ8М или Х14Н14 В. В форсированных двигателях для повышения износои коррозионно-стойкости фаску тарелки клапана покрывают стеллитом или нихромом, а шток клапана азотируют; седла клапанов — легированная или углеродистая сталь, сверхпрочный чугун; пружин — высокоуглеродистая сталь 65 Г, 60С, 50ХФА; распределительных валов — легированная или углеродистая сталь 25, 30; кулачных шайб — легированная сталь 15ХА, 12ХНВА; для повышения поверхностной твердости шайбы цементируют или закаливают.

Распространены следующие конструкции клапанов:.

Клапаны без корпуса устанавливают непосредственно в крышку цилиндра, что позволяет увеличить проходные сечения для воздуха и газов, но при этом необходим демонтаж крышки для осмотра и притирки клапанов. В четырехтактном дизеле впуск газов всегда обеспечивается выталкивающим ходом поршня, поэтому для улучшения наполнения цилиндра воздухом диаметр впускного клапана иногда увеличивают за счет уменьшения диаметра выпускного.

Рис. 3.

В четырехтактных дизелях обычно применяют два или четыре газораспределительных клапана, а в двухтактных один, два, три или четыре выпускных клапана. Увеличение числа клапанов усложняет конструкцию цилиндровой крышки, но снижает их механическую и тепловую напряженность вследствие уменьшения диаметра и массы.

Клапан без корпуса (рис. 3) состоит из штока и тарелки с конической рабочей фаской. Чаще всего применяют фаски с углом фаски 45градусов, обеспечивающим большие жесткость клапана и плотность его посадки на седло, лучший отвод теплоты от тарелки, наиболее выгодную форму газового потока при полном открытии клапана.

При уменьшении угла фаски до нуля увеличивается проходное сечение клапана и уменьшается давление на его фаску, но резкое изменение газового потока увеличивает гидравлические потери, а более острая кромка тарелки клапана быстрее обгорает.

Фаска тарелки прижимается к седлу, протачиваемому в крышке цилиндра или к съемному седлу, фиксированному в крышке пружинящим кольцом или другими способами (запрессовкой, развальцовкой, зачеканкой). Фаску и седло тщательно притирают. Шток клапана перемещается в направляющей втулке. Клапан прижимается к седлу пружинами, упирающимися в нижнюю и верхнюю тарелки. Верхняя тарелка удерживается коническими полукольцами (сухарями) на конической шейке штока клапана (применяют и другие способы крепления). Для предотвращения разбивания торца штока в него вставляют закаленный сухарь или устанавливают колпачок.

Рис. 4.

Клапан с корпусом (рис. 4) конструктивно сложнее, имеет меньшее проходное сечение, но удобнее в эксплуатации, т.к. возможны осмотр, притирка и замена без демонтажа цилиндровой крышки.

Для снижения тепловой напряженности клапанов применяют следующие способы:.

Тарелку клапана для уменьшения тепловоспринимающей поверхности выполняют по возможности плоской и покрывают металлокерамическим сплавом; интенсивно охлаждают цилиндровую крышку в районе седла и направляющей, непосредственно седло и направляющую или направляющую, шток и тарелку клапана водой, подводимой по гибким патрубкам, сверлениям и трубке в штоке.

В современных дизелях часто предусматривают автоматический поворот клапанов относительно оси во время работы дизеля, что обеспечивает более равномерное распределение температур в тарелке и меньшую ее деформацию, равномерный износ тарелки и седла и их некоторую самопритирку. Наиболее просто это достигается установкой специальных лопаток на нижней части штока, которые под действием газового потока поворачиваются вместе с клапаном. Иногда для принудительного поворота применяют специальные устройства.

Клапанные пружины выполняют с разными направлениями витков для предотвращения попадания витков одной пружины между витками другой в случае поломки одной из них. Установка нескольких пружин на один клапан позволяет устранить их резонанс: каждая пружина имеет свой период колебаний и при попадании одной из них в резонанс другие являются гасителями колебаний. При установке нескольких пружин одновременно уменьшаются их размеры, снижаются напряжения в витках, повышается частота собственных колебаний и устойчивость пружин во время работы, повышается надежность работы клапана.

дизель газораспределение продувка клапан.

Приводы клапанов.

Клапанные рычаги для обеспечения необходимой жесткости и прочности при возможно меньшей массе изготавливают ковкой или штамповкой и придают им тавровую или двутавровую форму, а штанги выполняют в виде стальных труб с наконечниками различных конструкций.

Толкатели для уменьшения массы обычно изготавливают в виде пустотелых стаканов. В СОД и МОД применяют роликовые толкатели. Для уменьшения износа ролик устанавливают на игольчатый подшипник, а для разгрузки клапанных пружин от сил инерции и уменьшения их размеров в толкателе часто устанавливают дополнительную пружину.

Из-за наличия теплового зазора в приводе клапана его движение начинается и заканчивается ударом, вызывающим дополнительные напряжения в седле и тарелке, пружине и на поверхностях контакта клапанного механизма.

Для обеспечения безударной работы и снижения шума в МОД с прямоточно-клапанной продувкой применяют толкатели с гидравлическим амортизатором — демпфером, автоматически выбирающим тепловой зазор.

Для уменьшения массы движущихся частей и сил инерции клапанного привода, снижения шумности и повышения надежности работы в современных МОД механический клапанный привод заменен на гидравлический.

Гидравлический привод состоит из масляного гидротолкателя, приводимого кулачковой шайбой, и поршневого серводвигателя, воздействующего на шток клапана в момент его открытия. Закрывается клапан пружинами. В дизелях последних моделей клапан открывается гидравлическим, а закрывается пневматическим серводвигателем, выполняющим функции клапанных пружин.

Распределительный вал с кулачковыми шайбами служит для управления открытием и закрытием газораспределительных клапанов, а также для привода топливных насосов высокого давления, топливоподкачивающего насоса, воздухораспределителя пусковой системы и регулятора частоты вращения.

Распределительный вал изготавливают цельным или составным (для упрощения изготовления и монтажа) и устанавливают на разъемных подшипниках. Для предотвращения осевого перемещения вал обычно фиксируют в опорно-упорном подшипнике.

Рис. 5.

Кулачные шайбы в ВОД обычно отковывают заодно с распределительным валом, а в СОД и МОД выполняют съемными. Съемные шайбы (рис. 5) привода газораспределительных клапанов обычно изготавливают неразъемными и крепят на валу шпонками или на гидропрессовой посадке, а шайбы привода ТНВД — чаще всего разъемными и крепят различными способами, позволяющими изменять их угол заклинивания относительно распределительного вала.

В четырехтактных реверсивных дизелях устанавливают два комплекта кулачных шайб — один для переднего, другой для заднего хода, а в двухтактных дизелях с прямоточно-клапанной продувкой — один комплект или два.

Привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала. Передаточное число для четырехтактных дизелей равно ½, для двухтактных — 1.

Конструкция привода зависит от расположения распределительного вала: при верхнем расположении (над цилиндровыми крышками), характерным для ВОД, применяют валиковый привод с коническими или винтовыми шестернями, при нижнем и среднем — шестеренный привод.

Для уменьшения размеров шестерен приводы изготавливают с промежуточными шестернями (рис. 6). Промежуточная шестерня сцеплена с ведущей шестерней коленчатого вала и ведомой шестерней распределительного вала. Так как у четырехтактного дизеля частота вращения распределительного вала должна быть в два раза меньше частоты вращения коленчатого вала, то ведомая шестерня имеет вдвое больший диаметр, чем ведущая шестерня (промежуточная шестерня на передаточное число не влияет).

Рис. 6.

Цепной привод (рис. 7) используют при большом расстоянии между осями коленчатого и распределительного валов, когда шестеренный привод получился бы громоздким и дорогим.

Ведущая звездочка коленчатого вала соединяется со звездочкой распределительного вала тремя одинарными цепями.

Рис. 7.

Направляющая звездочка служит для привода воздухораспределителя, лубрикаторов и регулятора частоты вращения, а звездочка, закрепленная в кронштейне служит для натяжения цепи (поворотом кронштейна вокруг оси против часовой стрелки). Тяга, нагруженная мощной пружиной, передает усилие на кронштейн. Цепи движутся по стальным направляющим рельсам, облицованным резиной, что предотвращает поперечные колебания цепей. Оси всех звездочек и цепи смазывают маслом.

Применяют обычно втулочно-роликовые цепи (рис. 8), собираемые из наружных и внутренних звеньев.

Наружное звено состоит из двух пластин и двух пальцев, запрессованных в обе пластины, а внутреннее — из двух пластин и двух втулок с двумя роликами.

Рис. 8.

Втулки запрессованы в обе пластины, а ролики надеты на втулки с зазором, обеспечивающим их свободное вращение. Пластины звеньев служат соединительными элементами и работают на растяжение, а ролики — для восприятия ударов и предохранения звездочек от износа.