Газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов наиболее сложный и удачный по конструкции. Внедрение этого механизма позволило улучшить не только форму камеры сгорания, но и наполнение цилиндров горючей смесью, а, следовательно, повысить экономичность двигателя и увеличить его мощность. Именно поэтому он получил повсеместное распространение на современных автомобилях.
Однако вернемся вновь к одноцилиндровому двигателю. При рассмотрении тактов его работы мы говорили лишь о состоянии впускного или выпуского клапанов (закрыты или открыты), но не говорили, как они открываются или закрываются. Но вот настало время разобраться и в этих процессах.
На рис. 9 дана схема работы одноцилиндрового двигателя и положение клапанов (слева — впускной, справа — выпускной) при каждом такте. Из схемы видно, что за два оборота коленчатого вала впускной клапан открыт в течение первого такта, а выпускной — в течение четвертого такта. В течение второго и третьего тактов оба клапана закрыты.
Как же сделать, чтобы клапаны открывались именно в это время?
Если на стержень клапана надеть пружину, как показано на рис. 12, а, и закрепить свободный ее конец при помощи тарелки и сухарей (или чеки) на клапане, то она будет стремиться закрыть клапан. Если теперь под клапанами разместить вал с кулачками и вращать его, то при набегании на стержень клапана кулачок преодолевает сопротивление пружины и поднимает клапан над гнездом. И, наконец, если кулачок будет занимать на цилиндрической поверхности всего одну четверть его поверхности, то при вращении вала, получившего название распределительного, такой кулачок будет держать клапан открытым в течение одной четверти оборота и закрытым в течение трех четвертей оборота. Наша задача: держать клапан открытым в течение полуоборота коленчатого вала и закрытым в течение полутора оборотов.
Рис. 12. Схемы газораспределительных механизмов: а - принципиальная; б - с нижним расположением распределительного пало и верхним расположением клапанов; в—е верхним расположением распределительного вала и верхним рае положением клапанов; е - с нижним расположением распределительного вала и нижним расположением клапанов
Чтобы добиться такого положения, достаточно частоту вращения распределительного вала сделать в два раза меньшей частоты вращения коленчатого вала. А для этого валы соединяют при помощи шестерен. У шестерни распределительного вала вдвое больше зубьев, чем у шестерни коленчатого вала, поэтому, когда коленчатый вал делает два оборота, распределительный вал может сделать только один.
При верхнем расположении клапанов и нижнем расположении распределительного вала между клапаном и кулачком вводят дополнительные детали (ряс. 12, б): толкатель, штангу, коромысло. При вращении распределительного вала кулачок через толкатель толкает штангу, штанга поворачивает коромысло, а коромысло открывает клапан.
Таким образом распределительный вал регулирует процессы в двигателе: своевременно в определенной последовательности открывает и закрывает клапаны, которые в нужный момент впускают горючую смесь и выпускают из цилиндров отработавшие газы.
Давайте теперь рассмотрим четырехцилиндровый двигатель. Его газораспределительный механизм включает в себя распределительный вал, распределительные шестерни (или цепную передачу со звездочками и механизмом натяжения цепи), толкатели, штанги, коромысла, клапаны, направляющие втулки, детали крепления клапанов.
В двигателях с верхним расположением клапанов распределительный вал размещается либо в головке цилиндров параллельно коленчатому валу (рис. 12, в) и приводится в действие от звездочки коленчатого вала цепью, либо в блоке цилиндров и приводится во вращение шестернями (рис. 12,6). На распределительном валу изготовлены кулачки (по одному на каждый клапан). Напротив каждого кулачка на оси качается коромысло. Один его конец упирается в кулачок распределительного вала (иногда через штангу), другой нажимает на стержень клапана и открывает его. Клапан перемещается и открывает канал
При вращении коленчатого вала вращается распределительный вал с частотой в два раза меньшей. Кулачок распределительного вала, набегая на конец коромысла, поворачивает его на определенный угол, коромысло противоположным концом нажимает на клапан и, преодолевая сопротивление пружины, открывает его.
В двигателе с нижним расположением клапанов (рис. 12, г) распределительный вал размещается непосредственно в блоке цилиндров. В данном случае на коленчатом и распределительном валах на шпонках посажены распределительные шестерни, которые постоянно находятся в зацеплении друг с другом, а кулачок распределительного вала воздействует на клапан через толкатель (рис. 12, г).
Представим себе современный быстроходный двигатель, например, автомобиля «Москвич-2140». Его коленчатый вал может делать 5800 мин-1 оборотов, т. е. один ход поршня происходит за 0,005 долей секунды. За такое короткое время очень трудно заполнить цилиндр горючей смесью, трудно его освободить и от отработавших газов. Часть их всегда остается в цилиндре, загрязняя горючую смесь, поступающую для очередного рабочего хода. Мощность же и работа двигателя зависят от качества и количества поступающей в цилиндры горючей смеси.
Единственный путь для улучшения очистки цилиндров от отработавших газов и введения в цилиндр большего количества чистой горючей смеси — это увеличение времени протекания тактов впуска и выпуска за счет других тактов.
Как же это можно сделать?
В конце процесса расширения (рабочего хода) давление газов снижается до 0,4—0,5 МПа (4—5 кгс/см²). Большого эффекта от такого давления уже не получить, поэтому, если выпускной клапан открыть не в нижней мертвой точке, а немного раньше (обычно 40—70° поворота коленчатого вала до нижней мертвой точки), то газы сразу же начнут освобождать цилиндр (рис. 13, а). К моменту подхода поршня к верхней мертвой точке давление газов в цилиндре все еще будет выше атмосферного, поэтому нет смысла клапан закрывать. Закрывают его, когда поршень пошел вниз, а давление сравнялось с атмосферным (как правило это составляет 10 30° поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки) (рис. 13, б).
Рис. 13. Фазы газораспределения
В современных быстроходных двигателях такт впуска повторяется в каждом цилиндре, как мы подсчитали, через 0,005 с. С учетом работы всех цилиндров это означает, что горючая смесь во впускном трубопроводе движется практически непрерывным потоком. Поэтому при открытии впускного клапана на 12—30° до верхней мертвой точки горючая смесь по инерции заполняет цилиндр (рис. 13, в), хотя в нем еще не наступило разрежение. Закрывать впускной клапан следует, когда давление в цилиндре будет выше атмосферного.
Это соответствует повороту коленчатого вала на 40—70° после нижней мертвой точки (рис. 13, г).
Моменты начала открытия и конца закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала относительно соответствующих мертвых точек, называют фазами газораспределения.
Фазы газораспределения определяют и устанавливают на заводе при конструировании автомобиля.
Таким образом, улучшение наполнения цилиндров горючей смесью и освобождение их от отработавших газов происходит за счет увеличения времени открытия и закрытия клапанов, а также путем подбора наилучшего сечения каналов и диаметра клапанов. Итак, мы заметили, что в течение некоторого промежутка времени, за который коленчатый вал повертывается на угол опережения впускного и запаздывания выпускного, оба эти клапана остаются открытыми. Этот период принято называть перекрытием клапанов.