KINEMATYKA ROZRZĄDU

Rozrząd umożliwia cykliczną wymianę ładunków cylindrów silnika tłokowego, czyli stwarza warunki do powtarzania się w nich przebiegów pracy. We współczesnych silnikach czterosuwowych stosuje się rozrząd zaworowy, przy czym w silnikach lotniczych jest to wyłącznie rozrząd górnozaworowy, tj. taki, w którym zawory wbudowane są w głowice cylindrów. Pozwala to uzyskać korzystną formę komory spalania cylindra.

Na rysunku przedstawione są schematy górnozaworowych mechanizmów rozrządu: z dolnym lub górnym wałem rozrządu. Pierwsze rozwiązanie jest stosowane w silnikach rzędowych dużych mocy, natomiast drugie - w silnikach gwiazdowych i rzędowych o małej lub średniej mocy.

Powszechnie początek otwierania i koniec zamykania zaworu rozrządu określa się odpowiadającymi tym położeniom zaworów położeniami kątowymi wału korbowego lub wału rozrządu (rysunek).

Kąty otwarcia zaworów dolotowych i wylotowych silników lotniczych, określone położeniami kątowymi wału korbowego zawierają się w granicach 240÷280°, przy czym stosuje się następujące ustawienia rozrządu:

• początek otwierania zaworu dolotowego 20÷40° przed ZZ

• koniec zamykania zaworu dolotowego 50÷70° po ZW

• początek otwierania zaworu wylotowego 50÷70° przed ZW

• koniec zamykania zaworu wylotowego 20÷40° po ZZ

Kąty otwarcia i zamknięcia zaworów powinny być synchronizowane z położeniami tłoków w cylindrach, a wzniosy zaworów - wystarczająco duże. Są one dobierane dla każdego silnika wg wyników badań doświadczalnych jego prototypu uwzględniających liczne czynniki eksploatacyjne oraz takie jak: zakres użytecznych prędkości obrotowych, sposób zasilania paliwem, parametry konstrukcyjne silnika.

Podczas otwierania (zamykania ) zaworu zmienia się jego odległość od gniazda, czyli tzw. wznios zaworu, a tym samym szczelina umożliwiająca przepływ świeżego ładunku lub spalin.

Przyjmując oznaczenia jak na poniższym rysunku, powierzchnię stożkowego przelotu w otwartym zaworze rozrządu wyraża zależność:

Kanał przepływowy kształtuje się według równania ciągłości przepływu, z którego wynika zależność określająca średnią prędkość przepływu mieszanki, powietrza lub spalin przez zawór:

gdzie:

A_t - pole powierzchni poprzecznego przekroju cylindra,

v_śr - średnia prędkość tłoka,

i - liczba zaworów dolotowych lub zaworów wylotowych.

Średnie prędkości przepływu W_śr w zaworach silników lotniczych zawierają się w granicach 60÷90 m/s.

Kąt tworzącej γ przylgni zaworu rozrządu wynosi 30° lub 45°.

Ze względu na warunki przepływu świeżego ładunku lub spalin oraz obciążenia masowe elementów mechanizmu rozrządu całkowite wzniosy zaworów wynoszą: h_max = (0,18÷0,30)d. Całkowity wznios h_max zaworu jest nieco większy niż jego teoretycznie niezbędny wznios średni h_o, tak aby powierzchnie teoretycznego i rzeczywistego wykresu otwarcia zaworu były sobie równe. Opory przepływu stwarzane przez zawór są odwrotnie proporcjonalne do jego wzniosu i dlatego wymagane jest możliwie szybkie uruchamianie zaworu. Ze względu natomiast na dynamiczne obciążenia elementów napędu zaworu powinien on być otwierany i zamykany niezbyt szybko. Sprzeczność tych wymagań zmusza do opracowywania rozwiązań kompromisowych, a zwłaszcza do stosowania krzywek rozrządu o możliwie optymalnych zarysach. Każdy z zaworów silnika czterosuwowego jest otwierany jednokrotnie w okresie wykonywania przez wał korbowy kolejnych dwóch obrotów. Przełożenie napędu wału rozrządu rzędowego silnika czterosuwowego wynosi zatem n_r/n = ½. Natomiast przełożenie napędu tarcz krzywkowych rozrządu silników gwiazdowych są określone przez ich konstrukcję. Przełożenie napędu tarczy krzywkowej oraz liczba jej krzywek zależą bowiem od liczby cylindrów silnika i kierunku obrotu tarczy krzywkowej w stosunku do kierunku obrotu wału korbowego.

Parametr	Tarcza przeciwbieżna	Tarcza współbieżna
liczba cylindrów silnika	i
kąt rozstawienia cylindrów φ =
przełożenie nr/n =
kąt rozstawienia krzywek ψ =
liczba krzywek z =

Schemat tarczy krzywkowej przeciwbieżnej siedmiocylindrowego silnika gwiazdowego oraz oznaczenia kątów przedstawia rysunek obok.

Jak wynika z porównania zależności zawartych w tabeli, tarcza przeciwbieżna ma o jedną krzywkę mniej niż tarcza współbieżna, niezależnie od liczby cylindrów. Tarcze współbieżne są częściej stosowane ze względu na trwałość łożyskowania tarczy na wale oraz ze względów czysto konstrukcyjnych.

Krzywce rozrządu nadaje się zarys zapewniający możliwie dokładną realizację wymaganej zmienności wzniosu współpracującego z nią ślizgu oraz działającego na niego przyspieszenia. Projektując krzywkę rozrządu dąży się do uzyskania możliwie optymalnej zmienności przyspieszeń zaworu oraz zmienności jego wzniosu w funkcji obrotu wału korbowego. Różne przebiegi wzniosu zaworu mogą powodować zmiany mocy silnika dochodzące do 10%.

W teorii silników tłokowych rozróżnia się następujące typy krzywek rozrządu:

krzywki paraboliczne - zapewniają stałe przyspieszenie ślizgu (i zaworu), tj prostokątny jego rozkład. Zarys takich krzywek tworzą odcinki trzech wzajemnie stycznych parabol. Ich stosowanie nie jest racjonalne ze względu na duże obciążenia udarowe wszystkich elementów napędu zaworu, powodowane przez gwałtowne zmiany działających na nie przyspieszeń.

krzywki łukowe - zapewniają nieco mniej gwałtowne zmiany przyspieszeń elementów rozrządu. Zarys takich krzywek jest utworzony wyłącznie z odcinków okręgów kół, co upraszcza technologię produkcji wałków rozrządu lub tarcz krzywkowych. Zarysy różnych rodzajów krzywek łukowych przedstawia poniższy rysunek:

Zarys krzywek łukowych i przyspieszeń współpracujących z nimi ślizgów

1 - krzywka wypukła, 2 - krzywka styczna, 3 - krzywka wklęsło-wypukła.

Zmienności przyspieszeń ślizgów współpracujących z wszystkimi trzema krzywkami są jakościowo podobne i tylko nieznacznie różnią się od prostokątnego rozkładu p(φ) ślizgu współpracującego z krzywką paraboliczną. Podane na wykresie wartości przyspieszenia można traktować jako przeciętne w mechanizmach rozrządu silników lotniczych.

krzywki łukowe skorygowane - umożliwiają wydatne zmniejszenie obciążeń udarowych elementów rozrządu. Porównanie przebiegów przyspieszeń, prędkości i wzniosów krzywki łukowej nieskorygowanej i skorygowanej przedstawia rysunek:

Wykres wzniosu (h), prędkości (v) oraz przyspieszenia (p) ślizgów współpracujących z krzywkami łukowymi:

nieskorygowaną - linia ciągła, skorygowaną - linia przerywana

Projektując krzywki łukowe lub paraboliczne uwzględnia się następujące dane i wskaźniki charakteryzujące rozrząd współczesnych silników lotniczych:

Opis rozrządu	pmax [m/s^2]	pmin [m/s^2]
krzywka wału rozrządu napędza bezpośrednio zawór	≤ 2800	≤ 700	3...5
dźwignia zaworu między krzywką wału rozrządu a zaworem	≤ 2000	≤ 800	2...3
zawór napędzany przez krzywkę tarczy krzywkowej	≤ 1200	≤ 800	≈1,5

Wspólną cechą omawianych typów krzywek jest gwałtowna zmiana zwrotu przyspieszenia ślizgu, w zasadzie nie eliminowana przez korygowanie zarysu krzywki. Przy otwieraniu zaworu, przy określonym położeniu krzywki, przy którym występuje gwałtowna zmiana zwrotu przyspieszenia, istnieje prawdopodobieństwo zerwania więzi kinematycznej między elementami rozrządu. Przeciwdziała temu sprężyna zaworu o odpowiednio dobranej sztywności (napięciu). Natomiast podczas zamykania w chwili zmiany zwrotu jego przyspieszenia oddziałują na elementy napędu zaworu maksymalne obciążenia udarowe.

krzywki sinusoidalne - zapewniają sinusoidalną zmienność prędkości zaworu i cosinusoidalną zmienność jego przyspieszenia. Charakteryzuje je ciągłość przyspieszenia ślizgu w funkcji kąta obrotu krzywki. Wznios ślizgu współpracującego z krzywką sinusoidalną można określić z zależności:

gdzie:

ϕ_z - kąt wzniosów (rozwarcia) krzywki.

Stąd przez różniczkowanie otrzymuje się zależności określające prędkość i przyspieszenie ślizgu:

w których ω_z - prędkość kątowa krzywki (wału rozrządu lub tarczy krzywkowej).

Poprzez skorygowanie zarysu krzywki sinusoidalnej można ograniczyć gwałtowność narastania przyspieszenia zaworu od wartości zerowej do p_max.

krzywki syntetyczne - odznaczają się najkorzystniejszym zarysem ze względu na sterowanie otwierania i zamykania rozrządu. Zarysu takich krzywek nie projektuje się bezpośrednio, lecz wynika on z założonej, możliwie korzystnej zmienności przyspieszeń zaworu. Na wykresie taką zmienność przyspieszenia modeluje się jako krzywą ciągłą o względnie łagodnym przebiegu, przy czym dąży się do ograniczenia wartości ujemnych przyspieszenia, decydujących o wymaganej sztywności sprężyny zaworu. Zmienność wzniosu krzywki syntetycznej wyznacza się przez dwukrotne całkowanie zaprojektowanej krzywej przyspieszenia - najpierw w celu uzyskania krzywej prędkości a następnie krzywej charakteryzującej wznios. Całkowanie przeprowadza się metodą graficzną. Projektowanie krzywki syntetycznej jest pracochłonne i wymaga kilkakrotnego korygowania założonego przebiegu przyspieszenia aby w kolejnych przybliżeniach maksymalny wznios projektowanej krzywki stał się wystarczająco bliski obliczeniowemu, optymalnemu ze względu na geometrię zaworu, prędkość i strumień masy czynnika przepływającego przez otwarty zawór.

Wykresy przyspieszenia (p), prędkości (v) i wzniosu (h) zaworu współpracującego z krzywką syntetyczną

Wykres wzniosu krzywki w układzie biegunowym, tj. bazowanym na średnicy wału rozrządu lub tarczy krzywkowej, nie jest jednoznaczny z wykresem uprzednio wyznaczonego zarysu krzywki. Z teoretycznego punktu widzenia identyczność obu wykresów oznaczałaby nierealny przypadek współpracy krzywki z punktem geometrycznym.

Czynną cześć zarysu krzywki określają odmierzone promieniowo od okręgu tzw. koła podstawowego (lub inaczej zasadniczego) wartości wzniosu odpowiadające poszczególnym wartościom kąta jej obrotu ϕ. Bierną natomiast część zarysu krzywki (tzw. jej wzniosy zerowe) określa część okręgu tzw. koła luzu zaworowego.

Przez okresy zamknięcia zaworu krzywka współpracuje ze ślizgiem bierną częścią swego zarysu. Ze względów konstrukcyjnych, w okresach zamknięcia zaworu między elementami jego napędu powinny istnieć luzy umożliwiające sprężynie zaworu prawidłowe dociskanie jego grzybka do gniazda. Dlatego średnica koła podstawowego jest większa od średnicy koła luzu zaworowego o blisko podwójną wartość konstrukcyjnego luzu zaworu.

Na poniższym rysunku pokazano zarysy krzywek wału rozrządu współpracujących z różnymi ślizgami.

Jeżeli krzywka współpracuje z ze ślizgiem płaskim, np. talerzykiem popychacza, to na kolejnych promieniach podziału wyznacza się wartości wzniosów odmierzone od koła podstawowego, odczytane z wykresu (lub tabel) w układzie h-ϕ. Przez wyznaczone na promieniach podziału punkty wykreśla się prostopadłe do promieni, stanowiące chwilowych ustawień przemieszczanego talerzyka.

Zarys krzywki współpracującej z rolką lub cylindryczną stopką suwaka można wyznaczyć w podobny sposób. Odczytane z wykresu lub tabeli wartości wzniosów odkłada się na promieniach podziału względem okręgu o promieniu:

r_k =D_z/2+r

gdzie:

D_z - średnica koła podstawowego,

r - promień rolki (krzywizny stopki).

Otrzymany zarys krzywki jest obwiednią zbioru łuków określających kolejne chwilowe położenia rolki lub suwaka, czyli chwilowe wartości wzniosu zaworu.

Początkowy punkt czynnej części zarysu krzywki (ϕ=0) leżący na okręgu koła podstawowego łączy się odcinkiem prostym lub łukiem o dużej krzywiźnie stycznie z okręgiem koła luzu zaworu otrzymując przejście między bierną i czynną częścią zarysu krzywki określane jako tzw. nabieg. Analogicznie wykreśla się przejście między czynną i bierną częścią zarysu krzywki, czyli tzw. zbieg.

Dokładność wykreślnej metody projektowania zarysu krzywki zależy głównie od skali rysunku i wartości krokowej podziału kąta ϕ_z.

Projektując zarys krzywki sterującej zawór poprzez elementy pośredniczące w przenoszeniu jej nacisku należy odpowiednio uwzględnić ich wpływ na charakter ruchu zaworu.

5

---