Vidaus degimo variklio veikimo principas neatsiejamas nuo efektyvaus dujų skirstymo mechanizmo (DSM) veikimo. Šis mechanizmas atsako už degiojo mišinio padavimą į cilindrus ir sudegusių dujų pašalinimą, užtikrinant optimalų variklio efektyvumą ir galią.
Dujų skirstymo mechanizmo paskirtis ir reikšmė
Pagrindinė dujų skirstymo mechanizmo užduotis - užtikrinti tinkamą cilindrų pripildymą degiuoju mišiniu, efektyvų sudegusių dujų šalinimą ir patikimą cilindro sandarumą suspaudimo bei darbo taktų metu. Šis mazgas privalo būti tvirtas, atsparus aukštoms temperatūroms, agresyviai cheminiai aplinkai ir dilimui, garantuojant ilgalaikį ir nepriekaištingą vožtuvų bei jų lizdų sandarumą.
Vožtuvų mazgas dirba nuolat veikiant cikliškai pasikartojančioms mechaninėms apkrovoms, aukštoms temperatūroms ir cheminiams veiksniams. Atskirų mazgo dalių veikiamos apkrovos yra nevienodos, todėl keliami itin aukšti kokybės reikalavimai visoms komponentėms.
Dujų skirstymo mechanizmo tipai ir konstrukcijos
Istoriškai ir technologiškai skiriami keli dujų skirstymo mechanizmų tipai, priklausomai nuo skirstymo veleno (ar velenų) išdėstymo ir vožtuvų valdymo principo:
Konstrukcijos su skirstymo velenu apačioje (OHV)
Senesnės konstrukcijos varikliuose skirstymo velenas dažnai būdavo montuojamas variklio bloke, po cilindrais. Tokiu atveju vožtuvų pavaros mechanizmas tarp skirstymo veleno kumštelių ir vožtuvų kotų būdavo sudėtingesnis, dažnai naudojant stūmiklius ir svirteles.
Konstrukcijos su skirstymo velenu viršuje (OHC ir DOHC)
Šiuolaikiniuose varikliuose dažniausiai naudojamos viršuje sumontuoto skirstymo veleno (OHC - Overhead Camshaft) arba dviejų viršuje sumontuotų skirstymo velenų (DOHC - Double Overhead Camshaft) sistemos. DOHC sistema, turinti du velenus - vieną įsiurbimo ir vieną išmetimo vožtuvams valdyti - leidžia tiksliau kontroliuoti vožtuvų atidarymo ir uždarymo fazes, kas ypač svarbu didesnio našumo varikliams.
Dujų skirstymo mechanizmams su dviem vožtuvais vienam cilindrui valdyti paprastai pakanka vieno skirstymo veleno. Tačiau, kai cilindre įrengiama daugiau nei du vožtuvai, juos dažniausiai valdo du atskiri velenai (DOHC).
Dujų skirstymo mechanizmo pagrindinės dalys
Pagrindiniai dujų skirstymo mechanizmo komponentai yra:
- Skirstymo velenas: Velena su specialios formos kumšteliais, kurie, sukdamiesi, tiesiogiai arba per tarpines detales atidaro ir uždaro vožtuvus.
- Vožtuvų pavaros detalės: Įvairios detalės, perduodančios skirstymo veleno judesį vožtuvams.
- Mechaniniai stūmikliai: Naudojami perduoti kumštelio judesį, sudarydami tarpelį tarp kumštelio ir vožtuvo koto ar svirties.
- Hidrauliniai stūmikliai: Automatiškai reguliuoja tarpelį vožtuvų mechanizme, kompensuodami šiluminį plėtimąsi ir dilimą. Jie veikia variklio alyvos slėgio dėka. Per alyvos kanalą į hidraulinio stūmiklio korpusą patenka variklio alyva, stūmiklio aukštis pasikeičia, nes jame susidaręs alyvos slėgis išstumia įvorę. Šis tarpelis yra tarp vožtuvo koto ir svirties arba tiesiogiai tarp vožtuvo koto ir skirstymo veleno, priklausomai nuo konstrukcijos. Tačiau dalis alyvos išteka iš hidraulinio stūmiklio, todėl atsiranda tarpelis, kai skirstymo velenas jo nespaudžia. Vėliau hidraulinis stūmiklis vėl užpildomas alyva iš variklio tepimo sistemos. Jei hidraulinis stūmiklis neužsipildo alyva iki kito suspaudimo, atsiranda per didelis tarpelis ir dujų skirstymo mechanizme gali girdėti kalenimas.
- Vožtuvų mazgo detalės: Tai patys vožtuvai, jų spyruoklės, atraminės plokštelės, veržtuvėliai ir spyruoklių fiksatoriai.
Skirstymo velenas
Skirstymo velenas yra pagrindinė DSM dalis, tiesiogiai lemianti vožtuvų atidarymo ir uždarymo laikus bei eigą. Jo kumštelių forma ir išdėstymas yra kruopščiai projektuojami, siekiant optimizuoti variklio veikimą įvairiais sūkiais ir apkrovomis.
Skirstymo veleno pasirinkimas ir jo įtaka variklio galiai:
Dažnai klaidingai manoma, kad dujų paskirstymo velenai vieni lemia variklio galingumą. Tai netiesa. Velėnai yra tik vienas iš daugelio komponentų, turinčių įtakos variklio galiai. Kitos svarbios dalys, tokios kaip išmetimo sistema, įsiurbimo sistema, kompresija, cilindrų darbinis tūris ir kt., turi didelę reikšmę. Geriausiai veikiantys motorai yra tie, kurių velėnai suderintai dirba su visomis kitomis variklio sistemomis.
Per daug žmonių, norėdami padidinti variklio galią, tikisi stebuklų iš dujų paskirstymo velenų, pamiršdami kitų komponentų svarbą. Pavyzdžiui, velenai, turintys aukštesnius ir platesnius kumštelius, gali būti puikūs tam tikroms galingumo charakteristikoms, bet visiškai netinkami kitoms variklio konfigūracijoms.
Veleno charakteristikos: pakėlimas (lift) ir trukmė (duration)
Dažniausiai, norint suprasti veleno paskirtį, analizuojamas jo pakėlimas (lift - maksimalus vožtuvo atidarymas) ir trukmė (duration - laikas, per kurį vožtuvas būna atidarytas). Tačiau svarbu atkreipti dėmesį į alkūninio veleno laipsnius, kai vožtuvai „persimeta" (abu būna atidaryti).
Tarkime, velenas turi 0.053 colio pakėlimą ir 256 laipsnių alkūninio veleno trukmę. Tai nurodo, kiek velenas pakelia vožtuvo atidarymo mechanizmą ir kiek laiko vožtuvas būna atidarytas, bet nenurodo, kada jis atsidaro ir užsidaro. Tai yra pati svarbiausia informacija.
Atidarymo ir uždarymo laikai:
Atidarymo ir uždarymo laikai yra priskirti saviems variklio taktų etapams. Įsiurbimo takto laikai apibūdina atidarymo ir uždarymo taškus vykstant įsiurbimui, o išmetimo takto laikai - atitinkamai išmetimui.
Pavyzdžiui, jei velenas atidaro įsiurbimo vožtuvą 32 laipsnius prieš viršutinį mirties tašką (VMT), tai reiškia, kad jis atidaro vožtuvą, kai iki įsiurbimo takto pradžios lieka 32 laipsniai. Jei įsiurbimo taktas sudaro 180 laipsnių, o velenas turi 32 laipsnius prieš VMT, 180 laipsnių įsiurbimo takto ir 44 laipsnius trukmės po apatinio mirties taško (AMT), bendra trukmė gaunasi 256 laipsniai.
Įsiurbimo vožtuvo užsidarymo taškas yra pati svarbiausia informacija. Šis skaičius nusako, kokioms variklio apsukoms yra sukurtas velenas. Esmė tame, kas vyksta variklyje, kai jis baigia įsiurbimo taktą ir pradeda suspaudimo taktą, o įsiurbimo vožtuvas vis dar atidarytas. Mes nepradedame suspaudinėti tol, kol neuždarome vožtuvo.
- Jei vožtuvas uždaromas vėliau, esant didesniam suspaudimo laipsniui, naudojama mažiau suspaudimo takto eigos mišinio suspaudimui.
- Jei uždarant vožtuvą reikalingas anksčiau mažesnis suspaudimo laipsnis, kad būtų išvengta detonavimo, naudojama daugiau suspaudimo takto eigos mišinio suspaudimui.
Priežastis uždaryti įsiurbimo vožtuvą vėliau yra ta, kad ateinantis mišinys yra inertiškas ir cilindras vis dar pildosi, nors stūmoklis ir kyla aukštyn. Jei vožtuvas uždaromas per anksti, užtrenkiame duris, nors mišinys vis dar eina į vidų, o tai mažina galingumą. Kita vertus, jei uždarome duris per vėlai, išstumiame dalį mišinio atgal, ir tai taip pat mažina galingumą. Geriausias taškas, kada reikia uždaryti duris, priklauso nuo variklio apsukų, nes mišinio greitis įsiurbiant kinta su variklio apsukomis, o alkūninio veleno pasisukimo laipsniai kinta žymiai greičiau kartu su apsukomis.
Įsiurbimo uždarymas yra vienintelis toks svarbus faktorius veleno specifikacijose, nes jis nusako veleno galingumo diapazoną. Paprastai velenai, skirti standartiniam, „gatvei" skirtam motorui, uždaro įsiurbimo vožtuvą apie 40 laipsnių po AMT. Smagesni „gatviniai" ir kai kurie „lenktyniniai" velenai uždaro apie 50 laipsnių po AMT, o „lenktyniniai" velenai - apie 60 laipsnių po AMT, kartais net iki 70 laipsnių.
Vožtuvų „persimetimas" (valve overlap):
Toliau svarbu analizuoti du matmenis kartu: įsiurbimo vožtuvo atidarymo tašką (laipsniai prieš VMT) ir išmetimo vožtuvo uždarymo tašką (laipsniai po VMT). Šią atkarpą vadiname vožtuvų „persimetimu" - tai laiko tarpas, kai baigiasi išmetimo ir prasideda įsiurbimo ciklas. Šiuo momentu abu vožtuvai yra atidaryti.
Persimetimas įvyksta, kai stūmoklis juda pro VMT, baigdamas išmetimo ir pradėdamas įsiurbimo taktą. Jei išmetimo sistema veikia teisingai, ji pradės traukti įsiurbimo mišinį dar prieš stūmokliui pradedant traukti jį - tai gali labai padėti cilindro užpildymui. Jei išmetimas stumteli užtaisą, esantį kanaluose, kolektoriuje ir karbiuratoriuje, atgal, išstumdama jį lauk už karbiuratoriaus, tada stūmoklis juda žemyn ir vėl įtraukia mišinį. Tai ne tik trukdo cilindro užpildymui, bet ir du kartus įtraukia mišinį pro karbiuratorių ir dukart jį užtaiso.
Slėgio bangos išmetimo sistemoje keliauja pirmyn ir atgal išmetimo vamzdžiais, atsimušdamos į abu galus ir judėdamos garso greičiu, priklausomai nuo variklio sūkių. Difuzijos priedai išmetimo sistemoje (koriai, išmetimo bakeliai) gali keisti slėgio bangų tipą, priversti jas teigiamai veikti prastesniame sūkių diapazone. Esmė - kuo ilgesnis vožtuvų „persimetimas", tuo didesnę reikšmę turi išmetimo sistema.
Rezultatas yra „laiminga santuoka" tarp dujų paskirstymo velenų ir išmetimo sistemos: ilgas „persimetimo" laikas, kada išmetimo sistema galėtų maksimaliai paveikti, ir išmetimo sistema, geriausiai traukianti tame apsisukimų diapazone, kuriame numatyti dujų paskirstymo velenai. Taip turime išmetimo sistemą, padedančią įsiurbimo ciklo pradžioje, ir mišinio inerciją, kuri padeda pildyti cilindrą ciklo pabaigoje.
Žiūrint į vožtuvų persimetimą, reikia atkreipti dėmesį į vožtuvo pakėlimo aukštį, kai stūmoklis yra VMT. Jei vožtuvo atidarymas prie VMT yra didelis, atsiranda problemos dėl tarpų tarp vožtuvo su vožtuvu ir tarp vožtuvo su stūmokliu. Būtina įsitikinti, jog cilindrų galvučių paruošėjas žino dujų paskirstymo velenų charakteristikas, kad būtų tinkamai paruoštas atstumas tarp vožtuvų.
Jei ant stūmoklio yra išfrezavimai vožtuvams, tuomet nuo vožtuvo iki išfrezavimo kraštų turėtų būti bent 0,13 mm, apie 0,15 mm tarp įsiurbimo vožtuvo ir stūmoklio viršaus ir 0,23 mm nuo išmetimo vožtuvo iki stūmoklio. Priežastis, kodėl išmetimui reikia didesnio tarpelio, yra ta, kad stūmoklis vejasi užsidarantį vožtuvą ir, jei spyruoklė nespėja paskui dujų paskirstymo veleną (kas įmanoma esant aukštiems apsisukimams), vožtuvas gali pradėti „skrieti" ir tuo momentu galimas kontaktas su stūmokliu.
Išmetimo vožtuvo atidarymo taškas:
Išmetimo vožtuvas iš tikrųjų atsidaro dar sprogimo ciklo metu, kai stūmoklis juda žemyn. Taip vyksta dėl to, kad, norint įveikti pumpavimo nuostolius į išmetimo sistemą, būtina panaudoti dalį sprogimo jėgos išmetamųjų dujų išstūmimui. Kuo greičiau sukasi variklis, tuo mažiau laiko lieka išmetamųjų dujų pašalinimui, taigi tuo anksčiau išmetimo vožtuvas turi būti atidarytas. Dažnai galima išvysti velenus su ilgesne išmetimo vožtuvo atidarymo trukme nei įsiurbimo.
Veleno pakėlimas (lift):
Veleno pakėlimas nusako, kiek kiekvienas vožtuvas yra atidaromas. Jei žinomas variklio darbinis tūris ir apsisukimai, reikiamą oro kiekį galima suskaičiuoti. Norint užtikrinti maksimalų kanalų pralaidumą, maksimalus vožtuvo atidarymas turi būti tame taške, kai stūmoklis stipriausiai traukia mišinį. Veleno kumštelio centras, kuris yra tarp atidarymo ir uždarymo taško, nurodo šį tašką. Galvučių kanalai turi būti reikiamo dydžio, kad užtikrintų reikiamą mišinio pralaidumą, taip pat jie turi užtikrinti ir reikiamą mišinio judėjimo greitį. Per didelis arba per mažas mišinio judėjimo greitis pablogins cilindro užpildymą.
2- dalis. Vėjo jėgainės menčių gamyba. pilnas video.
Vožtuvų mazgo detalės
Vožtuvų mazgas yra vienas iš termiškai ir mechaniškai labiausiai apkrautų variklio mazgų. Jo dalys turi atlaikyti aukštą temperatūrą, agresyvią cheminę aplinką ir nuolatinius mechaninius smūgius.
Vožtuvai
Vožtuvai sudaryti iš galvutės ir koto. Galvutė turi sandarinimo briaunelę, kuri liečiasi su vožtuvo lizdu. Įsiurbimo vožtuvams ji nusklembiama 45°, o išmetimo - 30-45° kampu. Esant fiksuotai didžiausiajai vožtuvo eigai, 30° kampas užtikrina didesnį praleidimo angos plotą, todėl pagerėja cilindro pripildymas.
Tokie vožtuvai yra aptakesni, pagerėja cilindro užpildymas ir deginių šalinimas, tačiau didėja mechanizmo masė.
Išmetimo vožtuvai
Viena labiausiai termiškai apkrautų variklio dalių yra išmetimo vožtuvas, nes jis yra tiesiogiai veikiamas karštų deginių. Išmetimo vožtuvai dažnai gaminami bimetaliniai:
- Galvutė ir apatinė koto dalis gaminamos iš temperatūrai ir korozijai atsparaus legiruotojo chrommanganinio plieno. Toks plienas išlaiko aukštas temperatūras ir smūgines apkrovas, tačiau yra nelaidus šilumai, nesigrūdina ir pasižymi blogomis slydimo savybėmis.
- Viršutinė koto dalis gaminama iš grūdinamo chromsilicinio plieno.
- Abi dalys suvirinamos trintimi.
Kai kurie išmetimo vožtuvai turi vidinę ertmę, užpildytą natriu. Natris, lydydamasis ir judėdamas vožtuvo viduje, efektyviai perneša šilumą nuo galvutės į kotą, taip jį vėsindamas.
Įsiurbimo vožtuvai
Įsiurbimo vožtuvus apteka santykinai šaltas dujų srautas. Jų temperatūra nepakyla aukščiau 500 °C, todėl jie gaminami iš legiruotojo chromsilicinio plieno. Kad mažiau diltų, koto ir sandarinimo briaunelės grūdinamos.
Vožtuvų spyruoklės
Spyruoklės gaminamos iš legiruotojo spyruoklinio plieno. Jų galai daromi plokšti, šlifuojami ir poliruojami, remiasi į atramines plokšteles apačioje ir viršuje. Spyruoklių jėga vožtuvams perduodama per lėkšteles ir veržtuvėlius.
Šiuolaikinių automobilių dujų skirstymo mechanizmai
Šiuolaikiniuose automobilių varikliuose dujų skirstymo mechanizmai yra sudėtingi ir preciziški. Dažniausiai naudojamos DOHC sistemos, leidžiančios tiksliai kontroliuoti vožtuvų veikimo fazes. Kai kuriuose varikliuose, siekiant didesnio efektyvumo, naudojama ir daugiau nei po du vožtuvus cilindrui (pvz., 5 vožtuvai - trys įsiurbimo ir du išmetimo, arba atvirkščiai). Esant neporiniam vožtuvų skaičiui (3 arba 5), įsiurbimo vožtuvų visada būna daugiau, siekiant geresnio cilindro užpildymo.
Buvo pagamintos ir kelios IOE (Inlet Over Exhaust) variklių konstrukcijos su atvirkštine išmetimo per įleidimo sistemą, tačiau jos nėra plačiai paplitusios.
