Влияние технического состояния механизма газораспредиления на на работу двигателя

При нормальном техническом состоянии механизма газораспределения обеспечиваются заданные углы начала открытия и конца закрытия клапанов относительно верхних и нижних мертвых точек поршней (фазы газораспределения), а значит, и оптимальные условия наполнения цилиндров воздухом, не нарушается динамика движения деталей механизма и происходит умеренное нарастание их износа.

Во время работы двигателя кулачки распределительного вала, перемещаясь по тарелкам толкателей, преодолевают сопротивление клапанных пружин, силы инерции движущихся масс, силы трения толкателей, втулок коромысел и стержней клапанов, а также давление газов, действующих на тарелки клапанов. При взаимодействии кулачков с тарелками толкателей происходит изнашивание их поверхностей под влиянием сил трения, скольжения и качения. Кроме того, на процесс изнашивания кулачков влияют нагрузка, скорость перемещения трущихся поверхностей, качество смазки, температура и др.

В наиболее тяжелых условиях находится вершина кулачка. Это объясняется тем, что по мере подъема кулачка и возрастания упругости пружины повышается напряжение сжатия на рабочей поверхности кулачка, достигая максимальной величины на вершине при полном открытии клапана. В этот момент происходит пластическое деформирование металлов, влекущее за собой разрыв масляной пленки, в результате чего происходит непосредственное взаимодействие металлов, обусловливающее интенсивное молекулярно-механическое изнашивание трущихся поверхностей. При перемещении же по тарелке толкателя затылка кулачка последний испытывает сравнительно небольшую нагрузку, равную лишь весу толкателя и штанги, благодаря чему на поверхности трения имеют место преимущественно упругие деформации металлов, не нарушающие нормальных условий смазки трущихся поверхностей. Поэтому затылок кулачка изнашивается незначительно. Интенсивность изнашивания нарастает на участках профиля кулачка, соответствующих началу набегания и концу сбегания.

Неравномерное изнашивание профиля кулачков приводит к искажению их формы, в связи с чем уменьшается «время х сечение» открытия клапанов, возрастают потери во впускной и выпускной системах. По отмеченным причинам ухудшаются условия наполнения цилиндров воздухом и очистки их от отработавших газов. Все это снижает мощность и экономичность двигателя. Так, при износе кулачков по высоте на 1 мм мощность тракторного двигателя снижается на 5—7%. Износ впускных кулачков оказывает большее влияние на снижение мощности, чем износ выпускных кулачков, что объясняется следующими причинами. Одинаковый износ впускного и выпускного кулачков до определенного предела примерно в равной степени влияет на уменьшение кислорода в сжатом воздухе, которое происходит в первом случае за счет уменьшения количества воздуха, засасываемого в цилиндр, а во втором — за счет повышенного остатка в цилиндре отработавших газов. С понижением же коэффициента наполнения, кроме того, уменьшается давление конца сжатия, что влечет за собой ухудшение процесса сгорания топлива.

В процессе эксплуатации двигателя происходит изнашивание рабочих фасок клапанов и гнезд головки цилиндров, в результате чего нарушается их герметичность. Это влечет за собой усиленный прорыв газов через неплотности клапанов на тактах сжатия и расширения, а следовательно, снижение мощности и экономичности двигателя. При прорыве горячих газов через неплотности выпускных клапанов, имеющих по сравнению с впускным значительно более высокую температуру, происходит их обгорание, которое, в свою очередь, усиливает интенсивность пропуска газов. Если вовремя не предотвратить этот процесс, то возможен обрыв клапана и выход двигателя из строя. Поэтому необходимо периодически притирать клапаны к гнездам. Перед притиркой для образования рабочего пояска клапаны шлифуют, а гнезда фрезеруют, вследствие чего увеличивается утопание клапанов, а следовательно, уменьшается «время X сечение» их открытого состояния.

Неплотное прилегание клапанов к гнездам наблюдается также при отсутствии или недостаточности теплового зазора между их стержнями и бойками коромысел. При этом резко снижается компрессия в цилиндрах вследствие значительных утечек сжимаемого воздуха, а также происходит быстрое обгорание фасок клапанов в результате утечки газов из камер сгорания.

По мере изнашивания деталей механизма газораспределения изменяются фазы газораспределения, нарушая рабочий процесс двигателя. Причем в случае износа кулачков распределительного вала клапаны открываются позже, а закрываются раньше, т. е. период их открытого состояния сокращается. Однако в целом с увеличением наработки происходит сдвиг фаз в сторону запаздывания открытия и закрытия клапанов, что объясняется главным образом износом шестерен распределения и подшипников распределительного вала.

Фазы газораспределения нередко нарушаются в результате неправильной установки распределительного вала относительно коленчатого вала двигателя, если шестерни распределения соединены не по меткам. При этом может отмечаться как опережение, так и запаздывание фаз. В обоих случаях двигатель дымит и не развивает полной мощности. Здесь также возможны случаи соударения тарелок клапанов и днищ поршней, приводящие к срыву резьбы шпилек коромысел или пробою днищ поршней.

Фазы газораспределения нарушаются также при увеличении или уменьшении тепловых зазоров между стержнями клапанов и бойками коромысел. Уменьшение теплового зазора по сравнению с расчетной величиной влечет за собой нарушение фаз в сторону опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов, т. е. увеличение периода открытого состояния клапанов против расчетного.

В процессе эксплуатации двигателей тракторов зазоры между стержнями клапанов и бойками коромысел в большинстве случаев увеличиваются. Это объясняется тем, что суммарный износ кулачков, подшипников распределительного вала, толкателей, штанг, регулировочных винтов, коромысел и стержней клапанов, обусловливающий увеличение указанных зазоров, как правило, превалирует над износом фасок клапанов и гнезд головки цилиндров, способствующим уменьшению зазоров. При больших зазорах клапанов под клапанной коробкой слышен металлический стук. При увеличении зазоров в клапанном механизме происходит запаздывание открытия и опережение закрытия клапанов, а значит, уменьшение периода их открытого состояния. При этом также уменьшается «время X сечение» открытого состояния клапанов.

Все это наряду со снижением надежности и долговечности двигателя влечет за собой нарушение нормального процесса сгорания топлива, а значит, ухудшение мощностных и экономических показателей.

Кроме отмеченных явлений, с увеличением зазоров клапанов возрастают ударные нагрузки на детали механизма газораспределения, вследствие чего повышается интенсивность изнашивания кулачков распределительного вала, тарелок толкателей, штанг, регулировочных винтов, бойков коромысел, торцов клапанов, а также фасок клапанов и гнезд головки (вследствие возрастания скоростей посадки клапанов в гнезда). Для предотвращения перечисленных явлений необходимо своевременно проверять и регулировать тепловые зазоры между клапанами и коромыслами. Регулировкой тепловых зазоров компенсируется износ по высоте толкателей, штанг, регулировочных винтов, бойков коромысел и стержней клапанов. Поэтому нет необходимости контролировать эти размеры в процессе эксплуатации.

При увеличенных зазорах клапанов вследствие резких ударов может происходить отрыв толкателей от вершин кулачков. Вероятность отрыва возрастает по мере изнашивания кулачков и нарушения их нормального профиля, а также при ослаблении пружин клапанов, происходящем под действием многократного сжатия и разгружения их и вследствие нагрева горячими газами, прорывающимися через зазоры между втулками и стержнями клапанов. Очевидно, увеличенные зазоры клапанов в сочетании с ослабленной упругостью пружин, повышая нестабильность движения деталей распределительного механизма, вызывают интенсивное изнашивание сопряжений, особенно посадочных мест клапанов. При этом также нарушается рабочий процесс двигателя.

В результате чрезмерного ослабления и усадки пружин может также происходить зависание клапанов во втулках, вызывая перебои в работе двигателя. Чаще всего это происходит при работе двигателя с малой нагрузкой, при низкой температуре охлаждающей жидкости, а также при запуске двигателя в холодную погоду. В таких случаях картерное масло, проникшее в камеру сгорания, вследствие низкой температуры не сгорает. В камере образуется масляный туман, который, соединяясь с несгоревшими частицами топлива (сажей), частично выбрасывается во впускные каналы (особенно при малой частоте вращения коленчатого вала). Вокруг направляющих втулок и стержней впускных клапанов создается застойная зона, где происходит отложение продуктов распада масла и топлива (смолистых веществ), затрудняющих перемещение клапанов во втулках и, следовательно, ухудшающих процесс сгорания топлива. Кроме того, при значительной потере упругости и усадке пружин возможно произвольное открытие выпускных клапанов во время ходов всасывания под действием разрежения в цилиндрах двигателя, а также запаздывание закрытия клапанов.