Rozrząd zaworowy i głowica cylindra (VAZ-2109)

Mechanizm rozrządu zaworowego pozwala na przedostanie się do cylindrów świeżych porcji mieszanki palnej i uwalnia z nich produkty spalania – gazy spalinowe. Procesy te muszą odbywać się zgodnie z kolejnością zapłonu w cylindrach i ustawieniami zaworów przyjętymi w danym silniku.

Mechanizm rozrządu zaworowego obejmuje: napęd pasowy wałka rozrządu, wałek rozrządu 5 (rysunek 19), zawory wydechowy i dolotowy 2, sprężyny zaworowe z częściami mocującymi i popychacze 3 z podkładkami regulacyjnymi 6. Krzywka wałka rozrządu oddziałuje na zawór poprzez popychacz 3. Taka konstrukcja mechanizmu zapewnia sztywne i niezawodne połączenie kinematyczne między krzywką a zaworem, dzięki czemu zmniejsza się poziom drgań części.





Cykl pracy w cylindrze silnika odbywa się w ciągu dwóch obrotów wału korbowego, czyli za cztery kolejne uderzenie (taktu) tłoka: doprowadzenie do cylindra mieszanki paliwowej; kompresja; suw roboczy, podczas którego następuje spalanie i rozprężanie mieszanki; uwalnianie spalin. Procesy zasysania mieszanki palnej i odprowadzania spalin (rozrząd zaworowy) zapewnia się poprzez terminowe otwieranie i zamykanie odpowiednich zaworów (rysunek 20).



Zawór dolotowy zaczyna się otwierać jeszcze przed rozpoczęciem suwu ssania, tj. zanim tłok zbliży się do GMP w odległości odpowiadającej 33° obrotu wału korbowego. Jest to konieczne, aby zawór był całkowicie otwarty w momencie, gdy tłok przesuwa się w dół. Następnie przez wlot dostanie się więcej świeżej mieszanki palnej.

Zawór dolotowy zamyka się z opóźnieniem, tj. po przekroczeniu przez tłok dolnego martwego punktu w odległości odpowiadającej 79° obrotu wału korbowego. Na skutek bezwładnościowego ciśnienia strumienia, mieszanka palna nadal wpływa do cylindra, gdy tłok już zaczął się poruszać w górę.

Zawór wydechowy zaczyna się otwierać jeszcze przed całkowitym końcem suwu roboczego, tj. przed osiągnięciem DMP, w odległości odpowiadającej 47° obrotu wału korbowego. W tym momencie ciśnienie w cylindrze jest nadal dość wysokie, a gazy zaczynają intensywnie wydostawać się z cylindra, powodując gwałtowny spadek ich ciśnienia i temperatury. Znacznie poprawia to oczyszczanie cylindra ze spalin i chroni silnik przed przegrzaniem. Zwolnienie następuje po przekroczeniu przez tłok GMP, tj. po obróceniu wału korbowego o kolejne 17°.


Z diagramu faz rozrządu wynika wyraźnie, że istnieje okres (podczas obrotu wału korbowego o 50°), w którym oba zawory – dolotowy i wydechowy – są otwarte jednocześnie. Ze względu na krótki okres czasu, nakładanie się zaworów nie powoduje przedostawania się spalin do kolektora dolotowego; przeciwnie, bezwładność wychodzącego strumienia spalin powoduje zasysanie mieszanki palnej do cylindra i w ten sposób poprawia jego wypełnienie.

Głowica cylindra

Elementy rozrządu zaworowego są zamontowane na głowicy cylindra. Główne wymiary głowicy cylindra i części mechanizmu rozrządu zaworowego pokazano na rysunek 21.



Głowica, wspólna dla wszystkich czterech cylindrów, jest odlana ze stopu aluminium. Jest narażony na działanie wysokich temperatur i ciśnienia gazu. Dlatego posiada sztywną dolną część podporową, która jest intensywnie chłodzona cieczą. Grubość ścianek powinna być możliwie jednolita, aby ograniczyć naprężenia wewnętrzne wynikające z rozszerzalności cieplnej.

Głowica cylindra zawiera komory spalania w kształcie klina z kanałami dolotowymi i wylotowymi, które są wyprowadzone na prawą stronę i połączone z odpowiednimi przewodami za pomocą uszczelek. Każda komora spalania ma gwintowane otwory na świece zapłonowe, które znajdują się po lewej stronie głowicy cylindra. Po lewej stronie znajdują się dwa kanały służące do odprowadzania oleju do miski olejowej.

Wolna przestrzeń wewnątrz głowicy cylindra tworzy płaszcz chłodzący, który z tyłu ma ujście do rury wydechowej. Po tej stronie przykręcany jest również czujnik temperatury płynu chłodzącego. Przez otwory znajdujące się na spodzie płaszcz chłodzący głowicy cylindra komunikuje się z płaszczem chłodzącym bloku cylindra. Z prawej strony, przez dwa otwory, czynnik chłodzący przedostaje się do płaszcza kolektora dolotowego, gdzie podgrzewa mieszankę palną.

W prawej górnej części, wzdłuż całej głowicy cylindra, wywiercony jest kanał na przewód olejowy, z którego olej jest dostarczany do podpór wałka rozrządu poprzez kanały skośne, a następnie kanałem poziomym na prawą stronę do czujnika lampki kontrolnej ciśnienia oleju.

Głowica jest przymocowana do bloku cylindrów za pomocą dziesięciu śrub. Aby uzyskać równomierne i szczelne dopasowanie, śruby należy dokręcać na zimnym silniku w określonej kolejności (rysunek 22) w czterech krokach: 1. Wstępnie dokręcić śruby momentem 2 kgf·m; 2. Dokręcić śruby momentem 7,1...8,7 kgf·m, 3. Obrócić śruby o 90°; 4. Dokręć wszystkie śruby ponownie o 90. Ponieważ śruby są dokręcone do granicy plastyczności, są wyciągane. Dlatego też śruby można ponownie wykorzystać jedynie w przypadku ich rozciągnięcia na długość nie większą niż 135,5 mm (bez łba śruby). Dwie tuleje centrujące wokół śrub 8 i 9 (patrz 22) zapewniają precyzyjne wzajemne ustawienie głowicy cylindra i bloku.



W górnej części głowicy cylindra znajdują się pięć podpór dla czopów wałka rozrządu. Podpory są zdejmowane. Górna połowa znajduje się w obudowie łożyska (przód i tył), a dolny znajduje się w głowicy cylindra. Otwory w łożyskach są obrabiane razem z obudowami łożysk, dlatego nie są one zamienne, a głowicę cylindra można wymienić tylko razem z obudowami łożysk.

Mechanizm napędu zaworów, zamontowany na głowicy cylindra, jest przykryty pokrywą wykonaną z odlewu aluminiowego. Wzdłuż całego obwodu dolnej powierzchni pokrywy znajduje się rowek, w który wkłada się uszczelniającą uszczelkę gumową. Kołki montażowe są dodatkowo izolowane od pokrywy za pomocą gumowych tulei. Dzięki temu pokrywa nie styka się bezpośrednio z głowicą cylindra. Dzięki temu drgania głowicy cylindra nie są przenoszone na pokrywę, a hałas mechanizmu rozrządu zaworowego ulega redukcji.

Te same głowice cylindrów montowane są w silnikach 21081 i 2108. Różnią się jednak miejscem montażu szpilki rolki napinającej. W silnikach 2108 śrubę wkręca się w dolny otwór 1 (rysunek 23), a w silnikach 21081 w górny otwór 2.



Głowica cylindra silnika 21083 różni się od głowicy 2108 tym, że ma większą średnicę zaworów dolotowych - 37 mm zamiast 35 mm. W związku z tym zwiększono średnice gniazd zaworów dolotowych i średnice kanałów dolotowych głowicy cylindra. Numer głowicy cylindrów jest odlany po jej lewej stronie, która jest stroną przednią ze względu na poprzeczne ustawienie silnika w samochodzie.

Uszczelka głowicy cylindra

Uszczelka głowicy cylindrów ma za zadanie zapewnić szczelne połączenie pomiędzy blokiem a głowicą cylindrów. Posiada stalową ramę wyłożoną z obu stron azbestem. Rama zapobiega rozprzestrzenianiu się azbestu. Krawędzie otworów cylindrów obrobione są aluminiowaną stalą, otwór służący do przepływu oleju do wałka rozrządu obrobiony jest taśmą miedzianą, a otwory służące do odprowadzania oleju do skrzyni korbowej zaopatrzone są w dodatkową powłokę uszczelniającą w postaci wałka z naturalnej gumy o szerokości 2 mm i wysokości 0,035 mm.

Przy składaniu silnika należy zawsze zakładać nową uszczelkę. Nie dopuszcza się stosowania używanej uszczelki, gdyż nie zapewni ona szczelności. Podczas montażu uszczelki należy zwrócić uwagę na otwór, przez który będzie przechodził olej (miedziany) znajdował się w okolicy śruby mocującej głowicę cylindra 5 (numer śruby patrz rysunek 22).

Silniki 2108 i 21081 wykorzystują te same uszczelki, natomiast w silniku 21083 zastosowano inną, z większymi otworami cylindrów. Łatwo je odróżnić po wyglądzie. Zatem w przypadku uszczelki 21083 mostek między otworami na cylindry wynosi zaledwie 5 mm, a same otwory mają kształt okrągły. Uszczelka 2108 ma skomplikowany układ otworów na cylindry, a mostek między nimi wynosi 7,9 mm.

Gniazda zaworów wykonane są ze specjalnego żeliwa, co zapewnia im wysoką wytrzymałość na obciążenia udarowe. Gniazda zaworów dolotowych są wciskane w głowicę cylindra z wciskiem 0,081...0,121 mm, a gniazda zaworów wydechowych – 0,071...0,111 mm.

Naprężenie to jest konieczne, aby mieć pewność, że gniazda będą pewnie utrzymywane w głowicy cylindra w warunkach wysokiej temperatury i obciążeń udarowych. Aby ułatwić montaż siedzeń, są one albo schładzane ciekłym azotem do temperatury -175°C przed prasowaniem, albo głowica cylindra jest podgrzewana do temperatury 80°C. Fazy robocze gniazd zaworowych (rysunek 24) są obrabiane maszynowo po wciśnięciu ich w głowicę cylindra, co zapewnia dokładne wyrównanie faz i otworów tulei prowadzących.

Tuleje prowadzące zaworów

Tuleje prowadzące zawory wykonane są z żeliwa i wciskane w głowicę cylindra z pasowaniem ciasnym wynoszącym 0,063...0,108 mm. Na ich zewnętrznej powierzchni znajduje się rowek, w który wkłada się stalowy pierścień ustalający. Zapewnia dokładne położenie tulei podczas prasowania i zapobiega ich wypadaniu.

Otwory w tulejach są obrabiane po ich wciśnięciu do głowicy cylindra. Zapewnia to ścisłą tolerancję średnicy otworu i dokładność jego położenia w stosunku do faz roboczych gniazda zaworu. Otwory w tulejach prowadzących posiadają spiralne rowki służące do smarowania. Tuleje zaworów wlotowych mają rowki wycięte na połowę długości otworu, a tuleje zaworów wylotowych mają rowki wycięte na całej długości otworu.

Na tuleje prowadzące nałożone są kapturki z gumy odpornej na działanie wysokiej temperatury i oleju, ze stalowym pierścieniem wzmacniającym, które zakrywają trzonek zaworu i ograniczają przedostawanie się oleju do komory spalania przez szczeliny między tuleją prowadzącą a trzonkiem zaworu.

Zawory

Zawór wlotowy wykonany jest ze stali chromowo-niklowo-molibdenowej. Dla lepszego napełnienia cylindra jego płyta ma nieco większą średnicę niż płyta zaworu wydechowego.

Oryginał jest dostępny w zasobie online www.vazbook.ru

Zawór wydechowy pracuje w wysokich temperaturach w agresywnym środowisku spalin. Dlatego jest on zespawany z dwóch części. Trzonek zaworu wykonany jest ze stali chromowo-niklowo-molibdenowej, która charakteryzuje się wysoką odpornością na zużycie i przewodnością cieplną, co umożliwia efektywne odprowadzanie ciepła z płytki zaworu do tulei prowadzącej. Do wykonania płytki zaworowej użyto odpornej na wysoką temperaturę stali chromowo-niklowo-manganowej. Dodatkowo, w celu zmniejszenia zużycia powierzchni roboczej zaworu, na jej powierzchni natapiany jest specjalny stop odporny na wysoką temperaturę.

Aby zwiększyć odporność prętów na zużycie, oba zawory są azotowane, a górna część pręta jest utwardzana prądami o wysokiej częstotliwości.

Sprężyny dociskają zawór do gniazda i zapobiegają jego wypadnięciu z popychacza. Aby uniknąć drgań rezonansowych montuje się dwie sprężyny - zewnętrzną i wewnętrzną (patrz 19) z nawijaniem w jednym kierunku. Dolne końce sprężyny opierają się na podkładce podporowej. Górna płytka podtrzymująca sprężynę jest przytrzymywana na trzonku zaworu za pomocą dwóch krakersów, które po złożeniu mają kształt ściętego stożka.

Pchacze 3 (patrz 19) zawory przenoszą siłę z krzywki wałka rozrządu na zawór. Są one stalowe, cylindryczne. Powierzchnia stykająca się z zaworem jest azotowana na głębokość 0,2 mm, aby zwiększyć odporność na zużycie. Na górze popychaczy znajduje się gniazdo na podkładkę regulacyjną.

Regulacja podkładek b (patrz 19) — stal płaska azotowana na głębokość 0,6 mm. Wybierając ich grubość można regulować szczelinę A pomiędzy krzywką i podkładką. Części zamienne dostarczane są z podkładkami o grubości od 3 do 4,5 mm w odstępach co 0,05 mm. Grubość podkładki (liczby) oznaczona jest elektrochemicznie na jej dolnej powierzchni.

Wałek rozrządu to pręt z krzywkami i czopami łożyskowymi. Kształt i układ krzywek zapewniają otwieranie i zamykanie zaworów zgodnie z kolejnością działania cylindrów (1-3-4-2) i rozrządem zaworowym (patrz 20).

Wałek rozrządu jest żeliwny, pięciołożyskowy. Na jego tylnej ściance znajduje się mimośród służący do napędzania pompy paliwa, a na końcówce - rowek służący do podłączenia do złącza czujnika rozdzielacza zapłonu. Powierzchnie robocze krzywek, mimośrodu i powierzchnia pod uszczelką olejową są wybielane w celu zwiększenia odporności na zużycie. Proces ten polega na topieniu powierzchni łukiem elektrycznym, w wyniku czego powstaje warstwa tzw. "białego" żeliwa, które charakteryzuje się dużą twardością.

Aby zapobiec osiowemu ruchowi wałka rozrządu, na jego tylnym końcu znajduje się kołnierz, który jest zamocowany pomiędzy głowicą cylindra (z obudową łożyska) i obudowy jednostek pomocniczych. Przedni koniec wałka rozrządu uszczelniony jest samoczynnie przesuwającą się uszczelką gumową.

Obudowy łożysk

Obudowy łożysk wałka rozrządu. Czopy łożysk wałka rozrządu obracają się w otworach, które w połowie są wykonane w głowicy cylindra, a w połowie w obudowach łożysk (przód i tył). Obudowy łożysk wykonane są z odlewu aluminiowego. Pierwsza i druga podpora znajdują się w przedniej części nadwozia, natomiast trzecia, czwarta i piąta podpora znajdują się w tylnej części nadwozia. Szczelina między otworami łożyskowymi a czopami wałka rozrządu wynosi 0,069...0,11 mm. Maksymalna dopuszczalna szczelina (zużycie) wynosi 0,2 mm.

Każda obudowa łożyska jest wyśrodkowana względem głowicy cylindra za pomocą dwóch tulei montażowych, które pasują do kołków montażowych. Aby zapobiec wyciekaniu oleju spod obudowy łożyska, stosuje się płynny uszczelniacz samoutwardzalny, np. SUPER THREE BOND nr 50 lub podobny uszczelniacz KLT-75T produkcji krajowej. Jest on produkowany w tubach i nakładany za pomocą opaski uciskowej na powierzchnię głowicy cylindra w okolicy zewnętrznych podpór wałka rozrządu podczas montażu silnika.

Aby uniknąć pęknięcia lub odkształcenia obudów łożysk, wałek rozrządu należy umieścić w podporach krzywkami pierwszego cylindra skierowanymi do góry, a nakrętki mocujące dokręcić w określonej kolejności (rysunek 25) w dwóch etapach. Najpierw należy dokręcić nakrętki, aż powierzchnie obudowy łożyska będą przylegać do głowicy cylindra. W tym przypadku tuleje montażowe obudów powinny swobodnie wejść w gniazda. Następnie dokręć nakrętki mocujące momentem 2,2 kgf·m, stosując tę samą kolejność.

Napęd wałka rozrządu

Napęd wałka rozrządu składa się z zębatego koła pasowego 1 (rysunek 26) na wale korbowym, napędzanego zębatego koła pasowego 5 na wałku rozrządu, rolki napinającej 3 i paska zębatego 6. Ten sam pasek napędza również koło pasowe 2 pompy płynu chłodzącego. Napęd pasowy pracuje w środowisku suchym, bez smarowania. Przednia plastikowa obudowa i tylna stalowa osłona chronią urządzenie przed kurzem i brudem.



Napęd stanowi elastyczny pasek zębaty o półkolistych zębach. Wykonana jest z gumy odpornej na olej, wzmocnionej włóknem szklanym. Zęby pokryte są elastyczną tkaniną, aby zwiększyć odporność na zużycie. Podczas procesu wulkanizacji kord i osłona materiałowa są łączone z gumą, co zapewnia pasowi wysoką wytrzymałość. Dwie gałęzie pasa mogą wytrzymać łącznie siłę zrywającą wynoszącą do 1200 kgf.

Pasek napinany jest za pomocą rolki napinającej 3, która obraca się wokół osi mimośrodowej 7. Obrót osi względem sworznia mocującego umożliwia zmianę położenia środka obrotu rolki.

Aby skoordynować momenty otwierania i zamykania zaworów z kątami obrotu wału korbowego (tj. aby zapewnić prawidłowy montaż rozrządu zaworowego), koła pasowe wału korbowego i wałka rozrządu oznaczone są symbolami "B" i "D". Na tylnej pokrywie paska rozrządu znajduje się znak "A" (wygięte anteny), a na pokrywie pompy oleju znajduje się znak "C". Jeżeli rozrząd zaworowy jest ustawiony prawidłowo, to gdy tłok pierwszego cylindra znajduje się w GMP na końcu suwu sprężania, znak "B" na kole pasowym wałka rozrządu powinien pokrywać się ze znakiem "A" na tylnej pokrywie, a znak "B" na kole zębatym wału korbowego powinien pokrywać się ze znakiem "C" na pokrywie pompy oleju.

Silnik w samochodzie jest umieszczony tak, że oznaczenia "C" są słabo widoczne. Dlatego też możliwe jest również kontrolowanie położenia wału korbowego za pomocą znaku na kole zamachowym i skali w pokrywie obudowy sprzęgła (patrz rysunek 30).