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 pagrindas
Dujų skirstymo mechanizmas periodiškai reikiamu momentu įleidžia į variklio cilindrus degųjį mišinį ir išleidžia iš jų atidirbusias dujas. Pagrindinė dujų skirstymo mechanizmo užduotis yra 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 cheminei 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.
Skirstomojo veleno esmė
Skirstomasis velenas (RV) yra pagrindinis dujų paskirstymo mechanizmo elementas beveik visuose keturtakčiuose stūmokliniuose vidaus degimo varikliuose. Tai yra stūmoklinių keturtakčių vidaus degimo variklių dujų paskirstymo mechanizmo (laiko nustatymo) komponentas, valdantis dujų mainų procesą. Tai metalinis velenas su suformuotais specialaus profilio kumšteliais, užtikrinančiais vožtuvų atsidarymą ir uždarymą, kad į cilindrą patektų degus mišinys ar oras ir išleistų išmetamąsias dujas pagal stūmoklių judėjimą ir visų cilindrų veikimą. Pagrindinis RV vaidmuo yra valdyti paskirstymo vožtuvų veikimą pagal šio konkretaus jėgos agregato projektines vožtuvų paskirstymo fazes. Dėl ypatingos konstrukcijos skirstomasis velenas užtikrina visų vožtuvų atsidarymą ir užsidarymą tik reikiamu laiku, nustato jų persidengimo kampus tam tikrais judesiais. Besisukdamas skirstymo velenas reikiamu momentu atidaro vožtuvus ir leidžia spyruoklėms juos uždaryti.
Skirstomojo veleno sandara ir veikimo ypatumai
Apskritai, skirstomasis velenas yra pagamintas iš mažo skersmens metalinio veleno, ant kurio suformuoti keli elementai:
- Kumšteliai (kameros);
- Atraminiai kakliukai;
- Įvairių mechanizmų pavara ir/ar ekscentrinė pavara;
- Kojinė pavaros skriemulio / krumpliaračio tvirtinimui.
Pagrindiniai skirstomojo veleno elementai yra kumšteliai, kurių skaičius variklyje be fazių keitimo mechanizmo atitinka bendrą vožtuvų skaičių (tiek prie įsiurbimo, tiek prie išmetimo).
Kumštelių profilis ir jų svarba
Kumšteliai turi sudėtingą lašo formos profilį. Kai skirstomasis velenas sukasi, kumšteliai įsibėga ir nubėga nuo stūmiklių, taip užtikrinant vožtuvo pavarą. Dėl kumštelio profilio ypatumų pasiekiamas ne tik vožtuvų atidarymas ir uždarymas, bet ir jų išlaikymas atidarytas tam tikrą laiką, persidengimas pagal fazes. Visų kumštelių viršus pasislenka vienas kito atžvilgiu, o tai užtikrina nuoseklų visų cilindrų veikimą pagal konkrečiam jėgos agregatui nustatytą tvarką. Pavyzdžiui, keturių cilindrų varikliams skirtuose skirstomuosiuose velenuose vieno cilindro kumštelių viršūnės pasislenka 90 laipsnių, šešių cilindrų varikliams - 60 laipsnių, aštuonių cilindrų V formos varikliams - 45 laipsnių, tačiau dažnai pasitaiko išimčių dėl variklio konstrukcinių savybių.
Skirstomojo veleno montavimas ir tepimas
Skirstomasis velenas montuojamas variklio bloke arba galvutėje, naudojant atraminius kakliukus specialiai tam skirtose skylėse ar lovose. Jis remiasi į nuimamus (įdėklus) arba vientisus (įvorės) riedėjimo guolius, pagamintus iš specialių lydinių su mažu trinties koeficientu. Guolių guoluose padarytos skylės, skirtos variklio alyvai tiekti į kakliukus iš bendros variklio tepimo sistemos. Vieno iš kakliukų (dažniausiai priekinio arba galinio) guolyje yra padarytas traukos žiedas arba kitas fiksavimo įtaisas, kad būtų išvengta ašinių skirstomojo veleno judesių.
Dujų skirstymo mechanizmo tipai pagal skirstomojo veleno išdėstymą
Pagal vožtuvų išdėstymą dujų skirstymo mechanizmai gali būti su šoniniais arba su kabančiaisiais vožtuvais, o skirstomasis velenas gali būti variklio bloke arba variklio galvutėje. Apskritai, skirstomieji velenai skirstomi į dvi pagrindines grupes pagal montavimo būdą:
Konstrukcijos su skirstomojo velenu apačioje (OHV)
Senesnės konstrukcijos varikliuose skirstomasis velenas dažnai būdavo montuojamas variklio bloke, po cilindrais (angl. OHV - overhead valves). Tokiu atveju vožtuvų pavaros mechanizmas tarp skirstomojo veleno kumštelių ir vožtuvų kotų būdavo sudėtingesnis, dažnai naudojant stūmiklius ir svirteles. Paprastai apatiniuose velenuose papildomų elementų nėra, o jų tepimas atliekamas dėl karteryje esančios alyvos dulksnos ir slėginės alyvos tiekimo į atraminius kakliukus per įvores.
Konstrukcijos su skirstomojo velenu viršuje (OHC ir DOHC)
Šiuolaikiniuose varikliuose dažniausiai naudojamos viršuje sumontuoto skirstomojo veleno (angl. OHC - overhead camshaft) arba dviejų viršuje sumontuotų skirstomųjų velenų (angl. DOHC - double overhead camshaft) sistemos. Skirstomasis velenas montuojamas bloko galvutėje. 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 skirstomojo veleno. Tačiau, kai cilindre įrengiama daugiau nei du vožtuvai, juos dažniausiai valdo du atskiri velenai (DOHC). Viršutiniuose velenuose dažnai yra išilginis kanalas, o atraminiuose kakliuose atliekamas skersinis gręžimas - tai užtikrina, kad kakliukai yra sutepti tepant alyvą slėgiu.
Skirstomojo veleno pavaros tipai
Skirstomojo veleno pavara perduoda alkūninio veleno sukamąjį judesį skirstomajam velenui. Kad nekistų dujų skirstymo fazės, skirstomasis velenas turi būti sukamas be praslydimo. Skirstomasis velenas gali būti varomas diržu, grandine arba pavara, tiesiogiai sujungta su alkūninio veleno pavara. Šiandien dažniausiai naudojami pirmieji dviejų tipų pavaros.
Krumplinė pavara
Tarp alkūninio veleno ir skirstomųjų velenų jėga perduodama įstrižakrumpliais cilindriniais krumpliaračiais. Krumplinė pavara yra patikima, tačiau sudėtingesnė, jei reikia reguliuoti fazes, ir sunku išardyti.
Grandininė pavara
Jėga perduodama žvaigždutėmis ir vienaeile arba dvieile ritinine grandine. Grandininės pavaros privalumai, lyginant su krumpline pavara, yra tie, kad nesunku perduoti sukimo momentą, kai atstumas tarp alkūninio ir skirstomųjų velenų yra didelis. Ta pačia grandine galima sukti du skirstomuosius velenus ir pagalbinius agregatus.
Krumplinio diržo pavara
Krumplinio diržo pavarai būdingi ir grandinės, ir diržinės pavaros privalumai: maža masė, tylus darbas, pigi gamyba ir nereikalingas tepimas. Krumplinis diržas turi būti mažai tąsus, atsparus tempimui, lankstus, atsparus tepimo priemonių poveikiui ir drėgmei.
Karališkasis velenas
Jei skirstomojo veleno pavarai keliami didžiausi reikalavimai (pvz., maža masė ir tikslus vožtuvų darinėjimas esant dideliam sūkių dažniui), skirstomasis velenas sukamas dviem kūginių krumpliaračių poromis ir velenu (vadinamuoju „karališkuoju velenu“).
Dujų skirstymo fazės ir veleno charakteristikos
Dujų skirstymo fazės rodo, kiek laiko įsiurbimo ir išmetimo vožtuvai yra atidaryti. Laiko nustatymas yra viena iš pagrindinių stūmoklinio vidaus degimo variklio sistemų, kurios dėka užtikrinamas oro ir kuro mišinio (karbiuratoriniuose varikliuose) arba oro (purkštukuose ir dyzeliniuose varikliuose) tiekimas į cilindrus, išmetamosios dujos išleidžiamos iš cilindrų tik griežtai apibrėžtais momentais. Dujų mainai vykdomi kiekviename cilindre įmontuotais vožtuvais, o jų pavarą ir darbo sinchronizavimą su alkūniniu mechanizmu bei kitomis jėgos agregato sistemomis atlieka viena dalis - skirstomasis velenas.
Vožtuvų 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. Veleno pakėlimas nusako, kiek kiekvienas vožtuvas yra atidaromas. Pavyzdžiui, velenas gali turėti 0,053 colio pakėlimą ir 256 laipsnių alkūninio veleno trukmę. Tai nurodo, kiek velenas pakelia vožtuvo atidarymo mechanizmą ir kiek laiko vožtuvas būna atidarytas.
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.
Įsiurbimo vožtuvo užsidarymo taško svarba
Įsiurbimo vožtuvo užsidarymo taškas yra pati svarbiausia informacija, nes jis 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. Suspaudimas neprasideda, kol vožtuvas neuždaromas. 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, sumažėja galingumas, nes mišinys dar galėtų patekti į cilindrą. 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. Paprastai velenai, skirti standartiniam, „gatvei“ skirtam motorui, uždaro įsiurbimo vožtuvą apie 40 laipsnių po apatinio mirties taško (AMT), „gatviniai“ ir kai kurie „lenktyniniai“ velenai - apie 50 laipsnių po AMT, o „lenktyniniai“ velenai - apie 60 laipsnių po AMT, kartais net iki 70 laipsnių.
Vožtuvų „persimetimas“ (Valve Overlap)
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“ (valve overlap) - 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. Kuo ilgesnis vožtuvų „persimetimas“, tuo didesnę reikšmę turi išmetimo sistema. 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.
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.
Variklio galia ir skirstomojo veleno pasirinkimas
Dažnai klaidingai manoma, kad dujų paskirstymo velenai vieni lemia variklio galingumą. Tai netiesa. Velenai 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 velenai suderintai dirba su visomis kitomis variklio sistemomis. Velenai, turintys aukštesnius ir platesnius kumštelius, gali būti puikūs tam tikroms galingumo charakteristikoms, bet visiškai netinkami kitoms variklio konfigūracijoms.
Kaip veikia automobilio variklis
Dujų skirstymo mechanizmo komponentai ir jų funkcijos
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.
- Vožtuvų mazgo detalės: Tai patys vožtuvai, jų spyruoklės, atraminės plokštelės, veržtuvėliai ir spyruoklių fiksatoriai.
Atskirų mazgo dalių veikiamos apkrovos yra nevienodos, todėl keliami itin aukšti kokybės reikalavimai visoms komponentėms.
Vožtuvai
Vožtuvai uždaro cilindro įsiurbimo ir išmetimo kanalus. 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.
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.
Išmetimo vožtuvai
Viena labiausiai termiškai apkrautų variklio dalių yra išmetimo vožtuvas, nes jis yra tiesiogiai veikiamas karštų deginių. Išmetimo vožtuvai gali įkaisti iki 800°C. Todėl jie 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.
Vožtuvų spyruoklės
Vožtuvų spyruoklės uždaro vožtuvą ir laiko jį sandariai uždarytą. 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.
Vožtuvų kreipiamosios įvorės
Kreipiamoji įvorė tiksliai orientuoja vožtuvą lizde ir dalį šilumos kotu perduoda cilindrų galvutei. Jos gaminamos iš pilkojo ketaus, plieno arba metalo keramikos.
Vožtuvų pavaros detalės
Vožtuvo pavaros detalės perduoda skirstomojo veleno judesį vožtuvui. Tai apima stūmiklius, strypus ir svirtis.
Stūmikliai (Mechaniniai ir Hidrauliniai)
Stūmikliai (kompensatoriai) skirstomojo veleno kumštelių sukamąjį judesį paverčia tiesiaeigiu ir perduoda jį strypams. 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. Jei hidraulinis stūmiklis neužsipildo alyva iki kito suspaudimo, atsiranda per didelis tarpelis ir dujų skirstymo mechanizme gali girdėti kalenimas.
Strypai ir svirtys
Strypai stūmiklių judesį perduoda svirtims. Dvipetės svirtys ir vienpetės svirtys kartu su cilindriniais stūmikliais yra dalis vožtuvų pavaros sistemos, per kurią judesys nuo skirstomojo veleno pasiekia vožtuvus.
Skirstomųjų velenų gamyba ir priežiūra
Gamybos medžiagos
Visų tipų ir konstrukcijų skirstomieji velenai gaminami iš plieno arba ketaus. Skirstomieji velenai liejami arba štampuojami. Štampuoti skirstomieji velenai gaminami iš legiruoto plieno, o lieti - iš kaliojo baltojo ketaus arba ketaus su rutuliniu grafitu. Plieninių skirstomųjų velenų kumštelių paviršiai papildomai termiškai apdorojami (gesinami aukšto dažnio srovėmis), o ketaus skirstomųjų velenų kumšteliai balinami (balinama didinant aušinimo greitį liejinio). Taip padidinamas dalių atsparumas dilimui. Užbaigti velenai subalansuojami, kad būtų sumažintas nutekėjimas, ir tik tada montuojami ant variklio arba siunčiami į prekybos tinklus.
Skirstomojo veleno keitimas
Laikui bėgant skirstomasis velenas susidėvi, ant jo kumštelių susidaro drožlių ir sukietėjimų, o tam tikromis sąlygomis dalis iš dalies arba visiškai sunaikinama. Visais šiais atvejais veleną reikia pakeisti nauju. Šiems darbams atlikti reikia gerokai išardyti variklį ir atlikti papildomas reguliavimo operacijas, todėl geriau juos patikėti specialistui ar autoservisui. Tinkamai pasirinkus ir pakeitus skirstomąjį veleną, visas variklio laikas veiks patikimai ir užtikrintai, užtikrinant jėgos agregato veikimą visais režimais.
tags: #duju #skirstymo #velenelis