Для лучшего охлаждения внутреннюю полость выпускных клапанов заполняют металлическим натрием, который имеет высокую теплопроводность и температуру плавления 371 К (98 °C). При движении клапана расплавленный натрий, перемещаясь внутри стержня, переносит тепло от головки к стержню, которое затем передается направляющей втулке.
Рабочая поверхность клапана (фаска) обычно имеет угол 45°, однако у впускных клапанов некоторых двигателей этот угол равен 30°. Фаску головки клапана тщательно обрабатывают и притирают к седлу.
Клапан прижимается к седлу одной или двумя пружинами. При двух пружинах направление их витков должно быть различным, чтобы при поломке одной из них ее витки не могли попасть между витками другой.
Выпускные клапаны многих двигателей при работе принудительно поворачиваются, что предотвращает их заедание и обгорание.
Для обеспечения плотного закрытия клапана между его стержнем и носком коромысла (верхнее расположение клапанов) или толкателем (нижнее расположение клапанов) должен быть зазор.
При малом зазоре и нагреве двигателя могут произойти неплотная посадка клапана на седло, утечка газов и обгорание рабочей поверхности головки клапана, при увеличенном зазоре – неполное открытие клапанов, ухудшение наполнения и очистки цилиндров, повышение ударной нагрузки на сопряженные детали клапанного механизма, приводящие к их ускоренному износу.3.2.7. Фазы газораспределения
Под фазами газораспределения понимают моменты начала открытия и конца закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек. Фазы подбирают опытным путем в зависимости от быстроходности двигателя и конструкции его впускной и выпускной систем. Для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов выпускной клапан начинает открываться до достижения поршнем н. м. т., а закрывается после в. м. т. С целью лучшего наполнения цилиндров впускной клапан начинает открываться до достижения поршнем в. м. т., а закрывается после прохождения н. м. т.
Правильность установки газораспределительного механизма определяется зацеплением распределительных шестерен в соответствии с имеющимися на них метками. Постоянство фаз газораспределения сохраняется при соблюдении температурного зазора между стержнем клапана и носком коромысла. При увеличении зазора продолжительность открытия клапана уменьшается, а при уменьшении зазора – увеличивается.
Последовательность чередования одноименных тактов в различных цилиндрах называют порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы зависит от расположения цилиндров, расположения шеек коленчатого и кулачков распределительного валов.
У четырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателя такты чередуются через 180° и порядок работы может быть 1–3—4—2 (ВАЗ-2106) или 1-2-4-3 (ГАЗ-24).
При порядке работы цилиндров 1–2—4—3 рабочий ход в первом цилиндре происходит за первый полуоборот коленчатого вала, во втором – за второй полуоборот, в четвертом – за третий полуоборот, в третьем – за четвертый полуоборот коленчатого вала.
3.2.8. Система охлаждения
Температура газов в камере сгорания в момент воспламенения смеси превышает 2500 °C. Такая температура при отсутствии искусственного охлаждения привела бы к сильному нагреву деталей двигателя и их разрушению. Поэтому необходимо воздушное или жидкостное охлаждение двигателя.
При воздушном охлаждении не требуются радиатор, водяной насос и трубопроводы, отпадает опасность «размораживания» двигателя зимой при заправке системы охлаждения водой. Поэтому, несмотря на повышенную затрату мощности на приведение в действие вентилятора и затрудненный пуск при низкой температуре, воздушное охлаждение применяют на ряде отечественных и зарубежных автомобилей. Однако подавляющее число автомобилей оснащены жидкостной системой охлаждения.
Жидкостная система охлаждения заполняется водой или антифризом (смесью воды с этиленгликолем), не замерзающим при температуре до 233 К (—40 °C).
При чрезмерном охлаждении двигателя увеличиваются потери тепла с охлаждающей жидкостью, не полностью испаряется и сгорает топливо, которое в жидком виде проникает в поддон картера и разжижает масло. Это приводит к снижению мощности и экономичности двигателя и быстрому износу деталей. При перегреве двигателя происходит разложение и коксование масла, ускоряющие отложение нагара, вследствие чего ухудшается отвод тепла. Из-за расширения деталей уменьшаются температурные зазоры, увеличиваются трение и износ деталей, ухудшается наполнение цилиндров.
Температура охлаждающей жидкости при работе двигателя должна быть 360–375 К (85-100 °C).
В автомобильных двигателях применяют принудительную (насосную) систему жидкостного охлаждения. Такая система включает рубашки охлаждения цилиндров и головок цилиндров, радиатор 13 (рис. 3.2.11), водяной насос 2, вентилятор 1, жалюзи 14, термостат 5, сливные краны 77 и 12, датчик температуры охлаждающей жидкости 10.
Жидкость, циркулирующая в системе охлаждения, воспринимает тепло от стенок цилиндров и их головок и передает его через радиатор окружающей среде. Иногда предусматривается направление потока циркулирующей жидкости через водораспределительную трубу или продольный канал с отверстиями в первую очередь к наиболее нагретым деталям (выпускные клапаны, свечи зажигания, стенки камеры сгорания).
Система охлаждения двигателя обычно используется для подогрева впускного трубопровода, охлаждения компрессора 3 и отопления кабины или пассажирского помещения кузова. Отопительная система состоит из радиатора 9, вентилятора, воздухораспределительных труб и рукояток управления.
В современных автомобильных двигателях применяют закрытые системы жидкостного охлаждения, сообщающиеся с атмосферой через клапаны в пробке радиатора. В такой системе повышается температура кипения воды, закипает вода реже и меньше испаряется.
Радиатор 13 предназначен для охлаждения горячей жидкости, выходящей из рубашки охлаждения двигателя. Располагается он впереди двигателя. Трубчатый радиатор состоит из верхнего и нижнего бачков, соединенных между собой тремя-четырьмя рядами латунных трубок. Поперечно расположенные горизонтальные пластины придают радиатору жесткость и увеличивают поверхность охлаждения.
На автомобилях устанавливают расширительный бачок, предназначенный для компенсации изменений объема жидкости, происходящих при работе двигателя. Впускной и выпускной клапаны размещаются в пробке этого бачка. На бачке имеются метки для контроля уровня антифриза, которым заправляется система охлаждения. В связи с использованием антифриза вместо сливных краников установлены резьбовые конические пробки.
Рис. 3.2.11. Система жидкостного охлаждения двигателя: 1 — вентилятор, 2 – водяной насос, 3 — компрессор, 4 – перепускной шланг, 5 – термостат, 6 – кран отопителя, 7,8 — подводящий и отводящий трубопроводы, 9 — радиатор отопителя, 10 — датчик указателя температуры охлаждающей жидкости, 11,12 — сливные краны, 13 — радиатор, 14 — жалюзи
В поршневых двигателях внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением нормальный топливный режим обеспечивается при помощи охлаждающей жидкости, отводящей тепло от стенок и головки цилиндров и отдающей тепло воздуху, который прогоняется вентилятором через жидкостный радиатор.
Охлаждающая жидкость должна иметь высокие теплоемкость и теплопроводность, чтобы эффективно отводить тепло; она не должна замерзать или кипеть при всех рабочих температурах двигателя; не воспламеняться, не вспениваться, не вызывать коррозии металлов и сплавов; не разъедать резиновых шлангов и соединений системы охлаждения. Такой жидкости, которая бы полностью отвечала всем перечисленным требованиям, пока создать не удалось.
Наиболее распространенная охлаждающая жидкость – это обычная вода. Она широко доступна, пожаробезопасна, безвредна для человека и имеет высокую удельную теплоемкость – 4,19 кДж/(кг К), превосходящую все другие охлаждающие жидкости.
К недостаткам воды как охлаждающей жидкости относятся:
– высокая температура замерзания (замерзает со значительным увеличением объема, вызывающим разрушение системы охлаждения);
– способность образовывать в системе охлаждения накипь и шлам – илистые отложения минерального или органического происхождения, скапливающиеся в застойных полостях рубашки охлаждения двигателя и в нижнем бачке радиатора.
Образование накипи в системе охлаждения связано с выпадением из водного раствора солей кальция и магния, которые вместе с частичками примесей и продуктов коррозии сцепляются с поверхностями нагретого металла. Это приводит к сужению трубопроводов, ухудшению теплоотвода и, в конечном счете – к увеличению расхода топлива.
Соли кальция и магния, растворенные в воде, придают ей так называемую жесткость, за единицу которой принимают миллиграмм-эквивалент солей на 1 литр воды. Различают жесткость временную, постоянную и общую.
Временная жесткость может быть устранена кипячением воды, при котором бикарбонаты кальция Са(НС03)2 и магния Mg(HC03)2 удаляются из воды.
Постоянная жесткость обусловлена находящимися в воде более стойкими солями CaS04, СаС12, MgS04, MgCl2, CaSi03, MgSi03 и др. Они при кипячении не разлагаются и не выпадают в осадок.
Жесткую воду перед использованием в системах охлаждения рекомендуется смягчать кипячением или смешивать со специальными добавками – антинакипинами. Если в воду добавить соды и гашеной извести, кальций и магний выпадут в осадок, а вода станет мягче.
Однако так или иначе, а при температуре наружного воздуха чуть ниже нуля вода все равно замерзает. Поэтому при наступлении холодов необходимо заливать в системы охлаждения двигателей специальные низкозамерзающие жидкости – антифризы. Это смеси воды со спиртом или с глицерином, с добавками углеводородов и ряда других веществ. Наибольшее распространение в качестве охлаждающих жидкостей получили водные растворы этиленгликоля.