Распределительный вал и привод клапанов

Распределительный вал (иногда называемый просто распредвалом), более чем какая-либо из других деталей двигателя влияет на выбор и работу практически каждой системы двигателя. Заметим, что распределительный вал непосредственно влияет на системы карбюрации, впуска и выпуска газов; однако, он также сильно влияет па конструкцию механизма привода клапанов, на оптимальную степень сжатия и, в меньшей степени, даже на конструкцию шасси и трансмиссии. Проще говоря, конструкция распредвала определяет выходную мощность двигателя при частично или полностью открытой дроссельной заслонке, и выбор этой детали является одним из наиболее важных решений, которые может принять двигателестроитель.
Выбор распредвала может на первый взгляд показаться довольно простым. Справедливо то, что поиск функционирующего распредвала в реальности не является проблемой, но поиск и установка оптимального распредвала для конкретных применений является намного более сложной. К счастью, многие производители распределительных валов затрачивают большие суммы денег на исследования распредвалов и их развитие, и они предлагают результаты своих трудов потребителям. Таким образом, хотя для меня будет и непрактичным показать вам, как сконструировать оптимальный профиль кулачков распредвала для своего двигателя, я могу показать вам, как подобрать распредвал, который будет хорошо работать в конкретных условиях. Цель этой главы — дать вам информацию, которая может вам потребоваться для того, чтобы сделать правильный выбор.
Для того чтобы понять факторы, заключенные в конструкции распредвала и влияющие на ею выбор, необходимо полное представление об основах работы двигателя. Лучшим способом понять эти основы будет вернуться к началу.

Основы работы распределительного вала
Четырехтактный цикл Отто
Подавляющее большинство современных автомобилей оснащены двигателями, работа которых основывается на так называемом цикле Отто. Доктор Ннколаус Отто открыл свой 4-тактнын двигатель в 1876г. и он до настоящего времени является основой практически всех современных автомобильных поршневых двигателей. Как определяется классической теорией 4-тактного цикла Отто, впускной клапан открывается, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), т.е. в верхней точке своего хода в цилиндре. Этот момент соответствует началу такта впуска, при котором смесь воздуха и топлива втягивается в цилиндр через впускную систему.
 
Многочисленные конструктивные изменения привели к появлению современных конструкций, которые предлагают надежность и высокую мощность при оборотах двигателя, превышающих 6000 об/мин.

Увеличение длительности фазы впуска увеличивает мощность, так как дополнительная топливовоздушная смесь втягивается частичным вакуумом, который остается в цилиндре после НМТ. Поршень в НМТ движется медленно и этот эффект воздействия вакуума не убирается небольшим движением поршня вверх, если далее коленчатый вал повернется на значительное число градусов:
1 - минимальный ход поршня;
2 - после НМТ.

Когда поршень — в нижней мертвой точке (НМТ),— такт впуска заканчивается и впускной клапан закрывается. Это конец первого из тактов Отто. Второй такт начинается, когда поршень движется вверх в отверстии цилиндра, а впускной и выпускной клапаны закрываются. При этом такте поступившая рабочая смесь сжимается в цилиндре, поэтому этот такт и называется тактом сжатия. Свеча зажигания воспламеняет смесь, когда поршень снова достигает ВМТ и в этот момент начинается такт рабочего хода (расширения) — третий такт цикла Отто. Так как горящая топливовоздушная смесь расширяется, то давление, создаваемое в цилиндре, толкает поршень вниз, и он передает свою энергию коленчатому валу, заставляя его вращаться. Поршень достигает HMT в конце цикла рабочего хода, когда открывается выпускной клапан. При этом начинается финальный такт, называемый выпуском. Теперь поршень снова движется вверх, вытесняя отработанные газы через открытый выпускной клапан в выпускную систему. Когда поршень снова достигает ВМТ, выпускной клапан закрывается. Открывание впускного клапана сигнализирует о начале следующей серии тактов 4-тактного цикла Отто. Быстро сменяющиеся циклы (24.000 в минуту на высоких оборотах) производят тот продукт, который мы исследуем здесь — мощность двигателя.
Однако идеальный цикл Отто для бензинового двигателя работает только в теории. Общий смысл может указать, что клапаны должны открываться и закрываться в ВМТ и в НМТ, в начале и в конце каждого такта. Однако, за исключением механической непрактичности постоянного открывания и закрывания клапанов, динамичный поток газов имеет такие свойства, которые не поддаются пониманию с точки зрения здравого смысла. При движении с высокими скоростями эти легкие пары имеют характеристики тяжелой жидкости. Они имеют измеримую массу и энергию, которые соответствуют любому движущемуся объекту. Эти факторы должны учитываться в конструкции любого распредвала.

Реальная динамика потока газов
На ранних стадиях развития двигателей, когда обороты коленчатого вала редко превышали 1000 об/мин, конструкторы двигателей были больше озабочены их надежностью, чем мощностью. Однако успехи в металлургии и нефтехимии позволили более не считать надежность главной целью конструкторов: в это время усилия инженеров были сконцентрированы на получении большей мощности. В этот период конструирования двигателей, фазы работы клапанов по-прежнему настраивались так, чтобы они начинались очень близко к "идеальным" моментам ВМТ и НМТ. Однако вскоре было открыто, что более высокие скорости открывания и закрывания уменьшают помехи, которые головки клапанов оказывают входящему и выходящему потоку газов. Это увеличит количество топлива, поступающего в двигатель и, соответственно, мощность. Однако, несмотря на улучшение характеристик металлов, скорости работы клапанов поддерживались в пределах механических характеристик клапанных пружин, кулачков распределительного вала и других деталей механизма привода клапанов. Эти пределы значительно уменьшают выходную мощность, т. к. при увеличении оборотов двигателя для работы клапанов остается очень мало времени, а уменьшение времени открывания и закрывания клапанов даже из практических соображений заметно уменьшает плотность рабочей смеси в цилиндре.
Конструкторы двигателей быстро обнаружили, что можно уменьшить потери, вызванные пределами, ограничивающими продолжительность открывания и закрывания клапанов путем увеличения продолжительности тактов работы клапанов.
Открывание впускного клапана немного раньше момента, когда поршень достигает ВМТ и закрывание его после НМТ (обеспечивающие продолжительность открывания клапана более 180° поворота коленчатого вала) увеличивают мощность. Если вы спросите сами себя, как это может помочь, так как поршень двигался в неправильном направлении для нужного потока впускаемой смеси, то это будет хорошим вопросом. Ответ состоит в том, что недостатки этих "несоответствующих" фаз работы клапанов были более чем скомпенсированы некоторыми преимуществами. Во-первых, клапан полностью открывается лишь на малый срок в эти периоды, так что потенциал для обратного потока минимален. Во-вторых, поршень движется намного медленнее рядом с ВМТ и НМТ, что еще больше уменьшает тенденцию для обратного потока. В-третьих, и это самое главное, более ранние и более поздние фазы работы впускных и выпускных клапанов дают клапанам "горячий старт" на кривых их подъема, что позволяет им отойти дальше от своих седел при всех тактах впуска и выпуска.
Имеются дополнительные динамические эффекты, которые мы обсудим далее, но главным результатом увеличения фаз работы клапанов за пределами ВМТ/НМТ является то, что получено существенное улучшение возможностей наполнения цилиндров и реализуется потенциал мощности.

Подбор фаз работы клапанов
Увеличение фаз работы клапанов полезно, но это тонко сбалансированная операция. К примеру, удержание впускного клапана открытым, после того как поршень достиг нижней точки такта впуска практично по нескольким причинам:
• Поток при низких величинах подъема клапана минимален;
• Даже если коленчатый вал может повернуться на значительное число градусов, поршень не сдвинется вверх в отверстии цилиндра намного;
• Цилиндр обычно не наполняется полностью, т. с. частичный вакуум продолжает втягивать смесь в двигатель.
Однако эти преимущества вскоре исчезают, если такт впуска увеличивается слишком сильно. В некоторый момент поршень, движущийся вверх в отверстии цилиндра, начинает вжимать некоторую часть уже втянутой рабочей смеси обратно во впускной коллектор. Если продолжительность открывания клапана увеличивается, то мощность начнет слабеть, особенно на низких оборотах.
Увеличение продолжительности выпуска дает подобные преимущества в мощности и подобные ограничения. Открывание выпускного клапана немного раньше НМТ позволяет большей части отработанных газов с высоким давлением выйти самостоятельно, т. е. они выдуваются перед тем, как остальные выдавливаются движением поршня. Это уменьшает давление на поршень, которое сокращает потери на прокачивание и улучшает мощность. В заключение, подобно впускному клапану, положения более раннего открывания и более позднего закрывания клапана относительно седла при такте выпуска уменьшают сопротивление между клапаном и головкой и улучшают характеристики потока. Однако, если выпускной клапан открывается слишком рано, сжатые газы, которые могли бы давить на поршень и вырабатывать мощность, будут освобождаться слишком быстро, рассеивая потенциально полезную энергию.

Теория перекрытия клапанов
Когда впускной клапан открывается раньше, а выпускной клапан закрывается поздно, имеется период времени, когда оба клапана открыты. Этот период перекрытия клапанов имеет место, когда поршень находится около ВМТ. Открывание обоих клапанов одновременно может не показаться хорошей идеей, однако, такая технология сжимает движущуюся массу потока выхлопных газов как своеобразный "пылесос", чтобы вытянуть оставшиеся газы. Фактически, этот эффект пылесоса такой сильный, что он также помогает начать впуск потока. Этот более ранний впускной поток, вызванный энергией выхлопных газов, называется продувкой, и он улучшает наполнение цилиндра и увеличивает мощность, особенно на высоких оборотах. Тогда как чрезмерное перекрытие клапанов уменьшает крутящий момент на низких оборотах, потери уменьшаются, когда продолжительность перекрытия настраивается в соответствии с применением — примерно от 40" для обычного распредвала и примерно до 85° для специального профиля.
Распределительные валы с короткой продолжительностью тактов, разработанные для работы при низких оборотах двигателя, почти всегда имеют короткие периоды перекрытия клапанов. Эти распределительные валы обеспечивают хорошие значения мощности двигателя на низких оборотах, так как фазы работы клапанов не слишком удалены от фаз ВМТ/НМТ. Однако, если вы проводите исследования по получению большей мощности двигателя, не увеличивая число обо-

 
Когда впускной клапан открывается раньше, а выпускной клапан закрывается позже, существует период времени, когда открыты оба клапана. Этот эффект называемый продувкой, сжимает движущуюся массу потока выхлопных газов как своеобразный пылесос для втягивания оставшихся отработанных газов и вызывает втягивание потока смеси.

Широкая кривая мощности, начинающаяся при низких оборотах двигателя, необходима для трогания с места, особенно в автомобиле, оснащенном автоматической трансмиссией. Распредвалы с короткой продолжительностью тактов, перекрытие клапанов, у которых не превышает 40°, обеспечивают типичные кривые мощности, начинающиеся с низких оборотов (покачанные цифрой 1). Распредвалы с большой продолжительностью тактов, использующие перекрытие клапанов в 85° и более, обеспечивают более крутую кривую с более высокой максимальной мощностью- и уменьшением крутящего момента на низких оборотах, как показано на кривой (2). Валы с такими профилями хорошо работают в легких гоночных автомобилях с механическими коробками передач.

Когда фазы работы распредвала включают длительные такты, высокий подъем и большие периоды перекрытия клапанов, что является обычным у распредвалов гоночных двигателей, двигатель может работать очень плохо при полностью открытой дроссельной заслонке в области ниже 4000 об/мин или даже выше. Эта нестабильность происходит из-за большого перекрытия между началом такта впуска и концом такта выпуска в сочетании с недостаточной скоростью выхлопных газов и, следовательно, энергией) при низких оборотах для поддержания правильного направления потока. В таких ситуациях остаточные выхлопные газы проходят через впускной клапан в систему впуска и "разбавляют" поступающую смесь, результатом чего становится неустойчивая работа и сильное уменьшение мощности на низких оборотах. Однако на высоких оборотах увеличенные такты работы клапанов являются как раз тем, что надо. Увеличенная длительность такта впуска позволяет лучше наполнять цилиндр, а увеличенная длительность такта выпуска эффективнее удаляет выхлопные газы. Вдобавок к этому, увеличенное перекрытие клапанов может добавить легкий эффект наддува путем втягивания большего количества свежей смеси в цилиндр, чем поступало бы в цилиндр при работе одного только поршня.
К сожалению, при высоких оборотах двигателя очень раннее открывание впускного клапана и большое перекрытие клапанов может привести к другой неприятности. Если выпускная система настроена правильно и "всасывание" от продувки высоко, то у потока может быть настолько высокая энергия, что исходная поступающая рабочая смесь может прорываться в цилиндре поперек камеры сгорания и выходить наружу через выпускной канал. Это попусту расходует топливо и серьезно влияет на длительность пробега гоночного автомобиля на одной заправке, хотя и не уменьшает мощность.
Широкая кривая мощности необходима для работы двигателя при трогании с места, особенно у автомобиля с автоматической трансмиссией. Так как большинство распредвалов, разработанных для этих применений, практически не имеет нежелательных характеристик (большая продолжительность тактов и перекрытия клапанов), то вы застрахованы от плохого выбора в этой области, в крайнем случае, ошибка будет невелика.

 

Когда фазы работы распредвала включают в себя длительные такты, высокий подъем клапанов и длительный период перекрытия клапанов, что является обычным для распредвалов гоночных двигателей, двигатель может работать плохо. Это наблюдается при широко открытой дроссельной заслонке и оборотах низке 4000 об/мин. Эта нестабильность на низких оборотах может быть уменьшена, когда используются большие рабочие объемы двигателей. Например, как у двигателя CHRYSLER (cпpaвa) рабочим объемом 7210см3 (440 кубических дюймов).

Выбор требуемого распредвала следует начинать с принятия двух важных решений:
• определения основного рабочего диапазона мощности двигателя;
• как долго распредвал должен работать.
Важность последнего фактора особенно уместна, когда выбирается распредвал с жесткими или гидравлическими плоскими толкателями, в частности, для применений на популярных "коротких" блоках "Шевроле" и некоторых других высокооборотистых двигателях V8.

Максимальные обороты двигателя и надежность
Во-первых, давайте проверим, как мы определим рабочий диапазон оборотов, и как выбор распредвала определяется этим выбором. Максимальные обороты двигателя обычно легко выделить, т.-к. они непосредственно влияют на надежность, в частности, когда главные детали "короткого" блока являются обычными. Основные данные, представленные в таблице, были получены из большого числа результатов испытаний на стендах сотен построенных двигателей.
Выделенные жирным шрифтом значения оборотов (левые значения) относятся к длинноходным двигателям, а значения оборотов, напечатанные обычным шрифтом (правые значения) соответствуют оборотам для типичных "коротких" блоков (короткоходные двигатели).
Имейте в виду, что эти рекомендации являются общими. Один двигатель может держаться намного лучше, чем другой в любой категории. То, как часто двигатель разгоняется до максимальных оборотов, является также очень важным. Однако в качестве общего правила нужно руководствоваться следующим: максимальные обороты двигателя должны быть ниже 6500 об/мин, если вы создаете форсированный двигатель для повседневной езды, и требуется его надежная работа. Эти обороты являются обычными для пределов большинства деталей и могут быть получены с помощью клапанных пружин среднего усилия. Поэтому если основной целью является надежность, то максимальные обороты в 6000/6500 об/мин будут практичным пределом.

 Максимальные обороты двигателя должны быть ниже 6000 об/мин если вы изготавливаете форсированный двигатель для повседневной езды и хотите добиться его высокой надежности. Эти обороты обычно находятся в пределах конструктивных возможностей большинства серийных деталей блоки цилиндров. Обороты могут достигаться с использованием клапанных пружин с умеренным усилием.

Избегайте ловушек типа "чем больше, тем лучше"
Хотя решение о максимальных требуемых оборотах может быть относительно простым процессом, в принципе основанном на надежности (и, может быть, на стоимости), неопытный конструктор двигателей может считать определение рабочего диапазона оборотов двигателя намного более сложной и опасной задачей. Подъем клапанов, длительность тактов и профиль кулачков распределительного вала будут определять диапазон мощности, и некоторые неопытные механики могут поддаться соблазну выбран, самый "большой" из возможных распредвалов в попытках увеличить максимальную мощность двигателя. Однако важно знать, что максимальная мощность необходима только на короткое время, когда двигатель развивает максимальные обороты.

Максимальные обороты двигателя и надежность для большинства двигателей V8

Максимальное число оборотов двигателя
 Предполагаемые условия работы
 Ожидаемый срок службы с соответствующими деталями
4500/5000 Обычное движение Более 160 000 км
5500/6000 "Мягкая" форсировка
 Более 160 000 км
6000/6500 Форсировка для повседневной езды
 Примерно 120 000- 160 000 км
6200/7000 Форсировка для повседневной езды/"мягкие" гонки Около 80 000 км
6500/7500 Очень "жесткая" уличная езда или гонки от "мягких" до "жестких" Менее 80 000 км при уличной езде
7000/8000 Только "жесткие" гонки Примерно 50 - 100 заездов на четверть км

Если вы не изготавливаете гоночный двигатель, не идите очевидным "кратчайшим"путем к высокой мощности, используя распредвал для гоночного двигателя; вместо этого вы придете кратчайшим путем к плохой работе и низкой надежности, к отвратительной реакции на перемещение дроссельной заслонки и затрудненному разгону с низких оборотов.

 1 - продолжительность открывания клапана; 2 - подъем клапана; 3 - клапан закрыт; 4 - фазами газораспределения распредвала; 5 - клапан открыт.

Мощность, требуемая от большинства форсированных двигателей, намного ниже максимальной мощности и числа оборотов; фактически, типичный форсированный двигатель может "увидеть" полное открывание дроссельной заслонки лишь несколько минут или секунд за целый день работы. Однако, некоторые неопытные двигателестроители игнорируют этот очевидный факт и выбирают распредвал больше по интуиции, чем руководствуясь? Если вы подавите свои желания и сделаете тщательный выбор, основанный на реальных фактах и возможностях, то вы сможете создать двигатель, способный выдавать впечатляющую мощность.
Всегда имейте в виду, что распредвал является в значительной степени компромиссной деталью. После определенного момента все прибавки даются ценой мощности па низких оборотах, потери приемистости, экономичности и т. д. Если вашей целью является увеличение числа лошадиных сил, то сначала произведите модификации, которые добавляют максимальную мощность путем улучшения эффективности впуска, так как эти изменения имеют меньший эффект на мощность при низких оборотах. Например, оптимизируйте потоки в головке блока цилиндров и в выпускной системе, уменьшите сопротивление потоку во впускном коллекторе и в карбюраторе, затем устанавливайте распредвал в дополнение ко всему выше указанному "набору". Если вы используете эти приемы обдуманно, то двигатель будет выдавать более широкую кривую мощности, возможную для ваших вложений времени и средств.

Конструкция распредвала и ее влияние на характеристики двигателя
Существует три важных характеристики конструкции распредвала, которые управляют кривой мощности двигателя: величина подъема клапанов, продолжительность открывания клапана и фазы газораспределителя распредвала. Подъем клапана измеряется в миллиметрах и представляет собой максимальное расстояние, на которое клапан отходит от седла. Продолжительность открывания клапанов — это отрезок времени, измеряемый в градусах поворота коленчатого вала. Продолжительность можно измерить несколькими различными путями, но из-за того, что поток минимален при малом подъеме клапана, продолжительность обычно измеряется после того, как клапан поднялся от седла на малую величину, часто составляющую 0,5 или 1,2 мм. К примеру, конкретный распредвал может иметь продолжительность открывания в 250° поворота при подъеме в 1,27 мм. Таким образом, при использовании подъема толкателя в 1,27 мм в качестве точек начала и остановки подъема клапана, распредвал будет удерживать клапан открытым в течение 250° поворота коленчатого вала. Если продолжительность открывания клапана измеряется при нулевом подъеме (когда он находится у седла или только отходит от него), то продолжительность будет составлять 330° или более. В заключение, положения коленчатого вала в моменты, когда определенные клапаны открываются или закрываются, часто называются фазами газораспределения распределительного вала. К примеру, распредвал может открывать впускной клапан при 30° до ВМТ и закрывать его при 70° после НМТ.
Каждый из этих критериев конструкции связан с другими и модификация одного повлияет на то, как другие улучшат или ухудшат работу двигателя. Но, вообще говоря, увеличение подъема клапана и продолжительности его открывания или оптимизация фаз газораспределения увеличивают мощность. После, небольшого увеличения типичных данных стандартного агрегата кривая мощности смещается выше в область оборотов. Когда продолжительность открывания и, в меньшей степени подъем увеличиваются еще больше, двигатель может быть даже неспособен работать на низких оборотах. "Гоночные" распредвалы с большой продолжительностью открывания часто имеют низкооборотный предел "холостого хода" 2000 об/мин или даже выше. Распредвалы с большой продолжительностью открывания можно сделать более "цивилизованными" путем изменения моментов открывания и закрывания клапанов, но компромиссом будет максимальная мощность.

Поиск правильной продолжительности открывания клапанов
Из трех главных критериев конструкции, используемых на распредвале продолжительность открывания клапанов, подъем клапанов и фазы газораспределения, продолжительность открывания наиболее хорошо известна среди конструкторов форсированных двигателей. Такое распространенное понимание происходит из-за непосредственной манеры влияния продолжительности открывания на мощность двигателя. Из общих соображений можно сказать, что чем дольше удерживаются открытыми клапаны (особенно впускной клапан), тем большая максимальная мощность двигателя будет получена. Если продолжительность открывания клапана увеличивается более определенной величины, дополнительная максимальная мощность будет получена ценой качества работы двигателя на низких оборотах. Для гоночных применений максимальная мощность является практически единственной целью, но для "обычных" автомобилей с форсированными двигателями очень важными являются приемистость и крутящий момент на низких оборотах.

Однако когда продолжительность открывания клапанов увеличится больше определенного значения, вся максимальная мощность будет даваться ценой качества работы двигателя на таких оборотах.

Распределительные валы с продолжительностью такта впуска менее 285 в сочетании с величиной подъема клапанов, превышающей 12,7мм, обеспечивают высокие скорости открывания и закрывания щипаное и являются непрактичными для обычных двигателей.

Поиск оптимального поднятия клапана
Увеличение подъема клапана может быть полезным вкладом в увеличение мощности, т. к. оно может добавить мощность без существенного влияния на характеристики двигателя на низких оборотах. В теории ответ на вопрос может показаться простым: конструкция распредвала с короткой продолжительностью открывания клапанов для увеличения максимальной мощности. Теоретически это будет работать. Однако, механизмы привода клапанов не такие простые. В этом случае высокие скорости движения клапанов, обуславливаемые этими профилями, существенно уменьшают надежность двигателя.
Когда продолжительность открывания клапана уменьшается, то на перемещение клапана из закрытого положения (у седла) до полного подъема и возвращения обратно остается меньше времени. Когда продолжительность становиться еще короче, потребуются клапанные пружины с увеличенным усилием и часто становится механически невозможным приводить в движение клапаны даже при относительно низких оборотах.
Таким образом, что же является практичным и надежным значением максимального подъема клапана? Распредвалы с величиной подъема, большей 12,7 мм, находятся в той области, которая непрактична для обычных двигателей (как минимум для двигателей со штангами в приводе клапанов). Распредвалы с продолжительностью такта впуска менее 285°, сочетающейся с величиной подъема клапана более 12,7 мм, обеспечивают очень высокие скорости открывания и закрывания клапанов. Это создает нагрузки на механизм привода клапанов, что заметно уменьшает надежность кулачков распредвала, клапанных пружин, стержней клапанов, направляющих втулок клапанов. Хотя вал с высокими скоростями подъема клапанов может хорошо работать сначала, срок службы его и направляющих втулок клапанов может не превышать 10 000 миль. К счастью, большинство фирм-производителей распредвалов конструируют валы так, что обеспечивается хороший компромисс между значениями подъема и продолжительности открывания клапанов, при долгом сроке службы и надежности.

Надежность при высоких значениях подъема клапанов
ЕСЛИ вы планируете сделать высокофорсированный двигатель, то вам потребуется величина подъема клапанов, превышающая 12.7 мм. В сочетании с системами впуска и выпуска, разработанными для оптимизации потока при высоком подъеме клапанов, мощность двигателя серьезно улучшится. Если подъем клапанов увеличивается, то потребуются более мощные клапанные пружины, чтобы управлять более быстрым движением клапанов. К сожалению, более высокие усилия пружин усилят износ направляющих втулок клапанов и сократят срок службы распредвала. Если подъем клапана превышает 14,0 мм, необходимы бронзовые направляющие втулки клапанов и для достижения необходимой надежности механизма привода клапанов может потребоваться распредвал с роликовыми толкателями.

 Коромысло клапана действует па конец клапана при высоком подъеме и пытается качать клапан в направляющей втулке. Эта боковая нагрузка действует на направляющие втулки и стержни клапанов и может даже привести к преждевременному износу бррнзовых направляющих втулок. Износ может быть уменьшен путем использования коромысел с роликом на конце, которые имеют колесико малого диаметра, которое стремится катиться над стержнем клапана, и уменьшает боковые нагрузки 1 - боковые нагрузки, вызванные коромыслом.

Когда коромысло (рокер) действует на конец клапана при высоком значении подъема, оно пытается "качать" клапан в его направляющей втулке из стороны в сторону намного сильнее, чем при низком подъеме клапана. Эта боковая нагрузка может даже привести к преждевременному износу бронзовых направляющих втулок. Однако, износ можно существенно уменьшить путем использования коромысел клапанов с роликами на концах. Каждое коромысло такой конструкции имеет колесико малого диаметра, которое стремится крутиться на стержне клапана и уменьшает боковые нагрузки, особенно при высоком подъеме клапана (коромысла и другие детали механизма привода клапанов будут подробно описаны далее). С помощью уменьшения боковых нагрузок и установки бронзовых направляющих втулок можно уменьшить износ в деталях механизма привода клапанов.
 
Если вы намериваетесь создать высокофорсированный двигатель, то потребуются значения подъема клапанов, превышающие 12,7мм, а также усиленные клапанные пружины, которые необходимы для управления более быстрым движением клапанов. К сожалению, эти повышенные усилия могут увеличить износ направляющих втулок клапанов и сократить срок службы распредвала. Для таких применений необходимы бронзовые направляющие втулки клапанов.
Однако указанные меры мало делают для уменьшения износа самого распредвала. Обнаружено, что многие форсированные двигатели с распредвалами, обеспечивающими продолжительность такта впуска более 280-285°, имеют небольшой срок службы кулачков вала. Эти валы обычно имеют величины подъема клапанов более 14,0 мм и требуют использования более жестких клапанных пружин для предотвращения "плавания клапана". Лучший путь решения этой задачи — использование распредвала с роликовыми толкателями. Вместо толкателя клапана, трущегося, об кулачок распредвала, модифицированный толкатель имеет встроенный ролик, подобный по конструкции и работе коромыслу клапана с роликом, что уменьшает трение и поверхностные напряжения. Так как роликовый толкатель работает подобно роликовому подшипнику, он может противостоять большим усилиям пружин, обеспечивая длительный срок службы.

После подъема и продолжительности открывания клапанов
Наиболее подробно обсуждаемые подъем клапанов и продолжительность такта впуска не являются единственными элементами конструкции распредвала, которые влияют на выходную мощность двигателя. Моменты, в которые клапаны открываются и закрываются по отношению к положению распределительного вала, являются такими же важными параметрами для оптимизации характеристик двигателя. Эти фазы газораспределения распредвала указаны в таблице данных, прилагаемой к любому качественному распредвалу. Эта таблица данных числами и графически иллюстрирует угловые положения распредвала, когда впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются. Они определяются точно в градусах поворота коленчатого вала перед (или после) ВМТ или НМТ.
Продолжительность открывания клапанов можно легко рассчитать из данных по фазам газораспределения, имеющихся в таблице. К примеру, для определения продолжительности открывания впускного клапана сложите момент открывания (в градусах перед ВМТ), момент закрывания (в градусах после НМТ) и 180° (продолжительность всего такта впуска). Если распредвал открывает впускной клапан в 27° до ВМТ и закрывает его в 63° после НМТ, то продолжительность открывания клапана будет составлять 27+63+180=270°.
Многие форсированные двигатели с распредвалами, обеспечивающими продолжитнльность такта впуска более 280-285°, имеют низкий срок службы кулачков вала. Лучшим способом решения этой проблемы является использование распредвала с роликовыми толкателями. Вместо толкателей используют ролики, подобные по конструкции и принципу работы ролику на коромысле клапана, что уменьшает трение и поверхностные напряжения.

Теперь давайте глубже погрузимся в соотношения фаз газораспределения распредвала и мощностью. Предположим, что у нас есть два распредвала, валы А и В. Оба вала имеют одинаковую продолжительность открывания клапана в 270° и они оба имеют одинаковую форму впускных и выпускных кулачков. Распредвалы такого типа обычно относят к конструкциям с "одним профилем". Однако распрсдвалы такого типа А и В не идентичны. Вал А имеет кулачки, расположенные так, что впускной клапан открывается за 27° до ВМТ и закрывается в 63° после НМТ, а выпускной клапан открывается за 71° до НМТ и закрывается в 19° после ВМТ. Для облегчения чтения можно представить эти данные по фазам газораспределения впускных и выпускных клапанов как 27-63-71 - 19. Вал В, однако, имеет фазы газораспределения 23 - 67 - 75 - 15. Вопрос состоит в следующем: если установить эти распредвалы на наш испытываемый двигатель, как они повлияют на мощность? Ответ будет таким: вал А, вероятно обеспечит большую мощность (на блоке цилиндров с рабочим объемом 5735 см3), но двигатель будет иметь более узкую кривую мощности и худшие характеристики в режимах холостого хода/частичного открывания дроссельной заслонки, чем вал В. Почему? Изменения в работе этих двух распредвалов, очевидно, не связаны с продолжительностью открывания клапанов или величиной их подъема: оба эти параметра остаются одинаковыми. Различия в кривых мощности являются результатом изменений в фазах газораспределения или, что более общее, в углах между центрами кулачков для каждого распредвала.

Угол между центрами кулачков и перекрытие клапанов
УГОЛ между центрами кулачков является угловым смещением между центральной линией кулачка впускного клапана (часто называемого просто впускным кулачком) и центральной линией кулачка выпускного клапана (называемого выпускным кулачком). Руководствуйтесь для понимания соответствующим рисунком. Угол соответствующего цилиндра обычно измеряется в углах поворота распределительного вала, так как мы обсуждаем смещение кулачков друг относительно друга, которое является одним из нескольких моментов, когда характеристика распредвала указывается в градусах поворота распредвала, а не в градусах поворота коленчатого вала. За исключением двигателей, использующих два распредвала в головке блока цилиндров.
Угол непосредственно влияет на перекрытие клапанов, т. е. на период, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Перекрытие клапанов измеряется в углах поворота коленчатого вала. Когда угол между центрами кулачков уменьшается, то моменты закрывания выпускного клапана и открывания впускного клапана будут перекрываться больше. Следует помнить, что на перекрытие клапанов также влияет изменение продолжительности открывания: когда продолжительность открывания увеличивается, перекрытие клапанов тоже увеличивается, обеспечивая отсутствие изменений угла для компенсации этих увеличений.
Для облегчения понимания этой ситуации вернемся к нашим распредвалам А и В и рассмотрим элементы взаимосвязи. Оба распредвала имеют продолжительность открывания 270°. Форма кулачка для вала А                                Читать далее  Распределительный вал и привод клапанов2