Когда клапан поднимается, то вместе с ним поднимается и опорная шайба. При этом пружина сжимается. Но как только кулачок уйдет от толкателя, сжатая пружина станет толкать стержень клапана вниз. Головка клапана плотно сядет в седло.
Клапан работает в тяжелых условиях: при горении смеси он сильно нагревается, подвергается химическому воздействию отработавших газов. Поэтому на изготовление клапанов идет специальная сталь, хорошо переносящая колебания температуры и устойчивая против химического действия газов.
Ясно, что при работе двигателя клапаны нагреваются, а следовательно, и расширяются. Стержень клапана удлиняется. Но он может удлиниться настолько, что упрется в толкатель и пружина не закроет его плотно. Однако никакой зазор между седлом и головкой клапана недопустим. Это нарушит нормальную работу двигателя.
Между толкателем и стержнем клапана устанавливается зазор. Стержень не упрется в толкатель, так как зазор даст ему возможность удлиниться. Этот зазор очень небольшой, всего 0,1 мм, и должен быть выверен, когда двигатель холодный.
А что если зазор будет меньше?
Тогда даже при небольшом нагревании стержень упрется в толкатель, и отверстие не будет плотно закрываться. А что если больше? Тогда при работе двигателя клапан будет стучать и не будет полностью открываться.
Обратите внимание на размеры шестерен распределения. Шестерня, сидящая на распределительном валу, в два раза больше шестерни, насаженной на коленчатый вал.
Значит, распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее, чем коленчатый вал.
А что было бы, если бы они имели одинаковые размеры? Тогда за два оборота коленчатого вала два раза открылся бы впускной клапан и два раза — выпускной. Вот в цилиндре, скажем, происходит рабочий такт, а клапан открыт. Вместо того чтобы давить на поршень, производить работу, газы уйдут наружу. Двигатель работать не будет.
В верхнеклапанном двигателе для управления клапаном служит рычаг, насаженный на ось (коромысло). Одним концом коромысло упирается в стержень клапана, а другим концом — в толкающую штангу.
Фазы газораспределения
Коленчатый вал двигателя вращается с большой скоростью, достигающей 5000 оборотов в минуту. За одну минуту цилиндр четырехтактного двигателя должен около 2500 раз заполниться горючей смесью и очиститься от отработавших газов. Чтобы цилиндр мог заполниться горючей смесью, ему отведено около 0,06 секунды. Это ничтожно малое время. И все же цилиндр успевает заполниться свежей смесью и очиститься от отработавших газов. Чем лучше цилиндр очистится от продуктов горения, тем больше горючей смеси в него войдет, тем большую мощность он разовьет.
Хорошая очистка цилиндра и хорошее заполнение его горючей смесью в первую очередь зависят от размера каналов и клапанов и от того, насколько полно они открываются. Значит, надо каналы делать больших размеров и возможно больше надо поднимать клапаны. Но это не всегда удается. Кроме того, заполнение и очистка зависят еще от времени, в течение которого они происходят. За большее время цилиндр лучше заполнится свежей смесью и очистится от отработавших газов.
Помните, мы рассказывали о рабочем цикле двигателя? Мы предполагали, что впускной клапан начинает открываться в момент, когда поршень от верхней мертвой точки двигается вниз, а закрываться — когда поршень придет в нижнюю мертвую точку. Выпускной же клапан, как мы предполагали, начинает открываться, когда закончится рабочий такт и поршень придет в нижнюю мертвую точку, а закрываться — когда он придет снова в верхнюю мертвую точку.
Заполнение и очистка цилиндров происходят на протяжении 180° поворота коленчатого вала. В действительности же это не так.
В двигателе мотоцикла М-72 впускной клапан начинает открываться тогда, когда поршень еще не дошел до верхней мертвой точки на 76°,то есть в период, когда еще идет выпуск отработавших газов. Впускной клапан, как принято говорить, открывается с опережением на 76°. Закрывается же он тогда, когда н. м. т. уже пройдена и коленчатый вал успел повернуться на 92°. Уже началось сжатие смеси, а впускной клапан еще открыт. Горючая смесь продолжает поступать в цилиндр.
Впускной клапан, как говорят, закрывается с запозданием на 92°. Значит, заполнение цилиндра, начинаясь еще до прихода поршня в в. м. т., продолжается во время движения поршня от в. м. т. к н. м. т. и заканчивается уже в такте сжатия.
Конечно, в этом случае смеси войдет в цилиндр больше, чем тогда, когда клапан открыт только на протяжении 180° поворота коленчатого вала.
А как же происходит очистка цилиндра?
Впускной клапан начинает открываться, когда еще не закончен рабочий такт, с опережением на 116°, а закрывается уже при такте впуска, когда поршень пройдет в. м. т. на 52° поворота вала. Цилиндр хорошо очищается от отработавших газов.
Как видите, при работе двигателя бывает момент, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Свежая смесь поступает в цилиндр, а отработавшие газы выходят из него. Такое положение называется перекрытием клапанов.
Поток горючей смеси движется — он обладает силой инерции. Впускной клапан открывается. Поток врывается в цилиндр, преодолевает давление оставшихся продуктов горения и начинает заполнять цилиндр двигателя. Но в это время открыт выпускной клапан, и свежая смесь выталкивает оставшиеся продукты горения. Поршень идет вниз, в цилиндре создается разрежение, — это ускоряет заполнение цилиндра горючей смесью. Моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, а у двухтактных двигателей окон в градусах поворота коленчатого вала и получили название фаз газораспределения.
Трение — враг двигателя
Вращается коленчатый вал. С огромной скоростью движется в цилиндре поршень, в бобышках поворачивается поршневый палец, вращается распределительный вал. Детали двигателя соприкасаются друг с другом. Между ними происходит трение.
Вот на снегу стоят санки. Толкните их посильнее. Впереди нет никаких препятствий и нет подъема. Однако санки движутся тише, тише — и вот совсем замерли. Их остановила сила трения. Санки стремились вперед, а трение как бы тянуло назад. Сила трения была направлена против движения. Трение, которое возникает тогда, когда одно тело скользит по другому, называется трением скольжения.
На ровной площадке лежит шарик. Толкните его. Он покатится быстро, а потом скорость движения станет все меньшей и меньшей. Между шариком и площадкой тоже возникло трение. Только здесь шарик не скользит, а перекатывается. Такое трение называется трением качения.
Трение качения меньше трения скольжения во много раз. Чтобы уменьшить сопротивление, всегда, где только возможно, стремятся заменить трение скольжения трением качения.
Отчего же зависит величина трения? В первую очередь от силы, с которой одна деталь прижимается к другой. Чем больше эта сила, тем больше и трение.
Важное значение имеет качество обработки поверхности. Трение между грубо обработанными поверхностями будет больше, чем между хорошо отшлифованными.
Чем больше поверхности, тем больше между ними и трение.
На величину трения и материал оказывает влияние. Поверхности из однородного материала вызывают большее трение, чем поверхности, сделанные из разных материалов.
Скорость перемещения деталей также влияет на величину трения. Чем больше скорость движения, тем больше и сила трения.