Газораспределительный механизм
Содержание статьи
Назначение и устройство
Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов. Он включает в себя элементы привода, распределительную шестерню, распределительный вал, детали привода клапанов, клапана с пружинами и направляющие втулки.
Распределительный вал служит для открытия клапанов в определенной последовательности в соответствии с порядком работы двигателя. Распредвалы отливают из специального чугуна или отковывают из стали. Трущиеся поверхности распределительных валов для уменьшения износа подвергнуты закалке при помощи нагрева токами высокой частоты.
Распредвал может располагаться в картере двигателя либо в головке блока цилиндров. Существуют двигатели с двумя распредвалами в головке цилиндров (в многоклапанных ДВС). Один используется для управления впускными клапанами, второй – выпускными. Такая конструкция называется DOHC (Double Overhead Camshaft). Если распредвал один, то такой ГРМ именуется SOHC (Single OverHead Camshaft). Распредвал вращается на цилиндрических шлифованных опорных шейках.
Привод клапанов осуществляется расположенными на распределительном валу кулачками. Количество кулачков зависит от числа клапанов. В разных конструкциях двигателей может быть от двух до пяти клапанов на цилиндр (3 клапана – два впускных, один выпускной; 4 клапана – два впускных, два выпускных; 5 клапанов – три впускных, два выпускных). Форма кулачков определяет моменты открытия и закрытия клапанов, а также высоту их подъема.
Привод распределительного вала от коленчатого вала может осуществляться одним из трех способов: ременной передачей, цепной передачей, а при нижнем расположении распредвала – зубчатыми шестернями. Цепной привод отличается надежностью, но его устройство сложнее и цена выше. Ременной привод существенно проще, но ресурс зубчатого ремня ограничен, а в случае его разрыва могут наступить тяжелые последствия.
При обрыве ремня распредвал останавливается, а коленвал продолжает вращаться. Чем это грозит? В простых двухклапанных моторах, где, как правило, поршень конструктивно не достает до головки открытого клапана, ремонт ограничивается заменой ремня. В современных многоклапанных двигателях при обрыве ремня поршни ударяются о клапана, «зависшие» в открытом состоянии. В результате сгибаются стержни клапанов, а также могут разрушиться направляющие втулки клапанов. В редких случаях разрушается поршень.
Еще тяжелее при обрыве ремня приходится дизелям. Так как камера сгорания у них находится в поршнях, то в ВМТ у клапанов остается очень мало места. Поэтому при зависании открытого клапана разрушаются толкатели, распредвал и его подшипники, велика вероятность деформирования шатунов. А если обрыв ремня произойдет на высоких оборотах, возможно даже повреждение блока цилиндров.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя происходит за два оборота коленвала. За это время должны последовательно открыться впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра. Поэтому распредвал должен вращаться в два раза медленнее коленвала, а, следовательно, шестерня распредвала всегда в два раза больше шестерни коленвала. Клапаны в цилиндрах должны открываться и закрываться в зависимости от направления движения и положения поршней в цилиндре. При такте впуска, когда поршень движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан должен быть открыт, а при тактах сжатия, рабочего хода и выпуска – закрыт. Чтобы обеспечить такую зависимость, для правильной установки на шестернях ГРМ делают метки.
Привод клапанов может осуществляться разными способами. При нижнем расположении распредвала, в картере двигателя, усилие от кулачков передается через толкатели, штанги и коромысла. При верхнем расположении возможны три варианта: привод коромыслами, привод рычагами и привод толкателями.
Коромысла (другие названия – роликовый рычаг или рокер) изготавливают из стали. Коромысло устанавливают на полую ось, закрепленную в стойках на головке цилиндров. Одной стороной коромысла упираются в кулачки распредвала, а другой воздействуют на торцевую часть стержня клапана. В отверстие коромысла для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку. От продольного перемещения коромысло удерживается при помощи цилиндрической пружины. Во время работы двигателя в связи с нагревом клапанов их стержни удлиняются, что может привести к неплотной посадке клапана в седло. Поэтому между стержнем клапана и носком коромысла должен быть определенный тепловой зазор.
Во втором варианте распредвал располагается над клапанами, и приводит их в действие посредством рычагов. Кулачки распределительного вала действуют на рычаги, которые, поворачиваясь на сферической головке регулировочного болта, другим концом нажимают на стержень клапана и открывают его. Регулировочный болт ввернут во втулку головки цилиндров и стопорится контргайкой. Существуют ГРМ, в которых между рычагом и клапаном устанавливается гидрокомпенсатор. Такие механизмы не требуют регулировки зазора.
И, наконец, при третьем варианте привода распределительный вал при вращении воздействует непосредственно на толкатель клапана. Существует три варианта исполнения толкателей – механические (жесткие), гидротолкатели (гидрокомпенсаторы) и роликовые толкатели. Первый тип в современных моторах практически не используется, в связи с большой шумностью работы и необходимостью частой регулировки зазора клапанов. Второй тип наиболее широко применяется, так как не требует настройки и регулировки теплового зазора, а работа отличается мягкостью и гораздо меньшим шумом. Гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Работа гидрокомпенсатора основана на свойстве несжимаемости моторного масла, которое постоянно заполняет его внутреннюю полость и перемещает поршень при появлении зазора в приводе клапана.
Роликовые толкатели чаще всего применяются в спортивных и форсированных двигателях, так как позволяют улучшить динамические характеристики автомобиля за счет снижения трения. В месте контакта с кулачком распредвала у них находится ролик. Поэтому кулачок не трется, а катится по толкателю. Вследствие этого роликовые толкатели выдерживают более высокие нагрузки и обороты, а также позволяют обеспечить более высокий подъем клапанов. Недостатки – большая стоимость и вес, а, значит, и большие нагрузки на детали ГРМ.
Клапаны служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов. Клапан состоит из головки и стержня. Головка клапана имеет узкую, скошенную под определенным углом, фаску. Фаска клапана должна плотно прилегать к фаске седла. Для этой цели их взаимно притирают. Головки впускных и выпускных клапанов имеют неодинаковый диаметр. Для лучшего наполнения цилиндров свежей горючей смесью диаметр головки впускного клапана делают больше. Клапаны во время работы двигателя нагреваются неодинаково. Выпускные клапаны, контактирующие с отработанными газами, нагреваются больше. Поэтому их изготавливают из жароупорной стали.
Стержень клапана цилиндрической формы в верхней части имеет выточку для деталей крепления клапанной пружины. Стержень выпускного клапана – полый, с натриевым наполнением для лучшего охлаждения. Стержни клапанов помещают в направляющих втулках, изготовленных из чугуна или металлокерамики. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.
Клапан прижимается к седлу при помощи цилиндрической стальной пружины. Кроме того, пружина не дает возможности клапану отрываться от коромысла. Пружина имеет переменный шаг витков, что необходимо для устранения ее вибрации. Другой вариант борьбы с вибрацией – установка двух пружин меньшей жесткости, имеющих противоположную навивку. Пружина одной стороной упирается в шайбу, расположенную на головке цилиндров, а другой – в упорную тарелку. Упорная тарелка удерживается на стержне клапана при помощи двух конических сухарей, внутренний буртик которых входит в выточку стержня клапана. Для уменьшения проникновения масла по стержням клапанов в камеру сгорания двигателя на стержни клапанов надеты маслоотражательные колпачки.
Фазы газораспределения
В теории открытие и закрытие клапанов должно происходить в моменты прихода поршня в мертвые точки. Однако в связи инерционностью процесса, особенно при больших оборотах коленвала, этого периода времени недостаточно для впуска свежей смеси и выпуска отработанных газов. Поэтому впускной клапан открывается до прихода поршня в в.м.т. в конце такта выпуска, т.е. с опережением в пределах 9-24 градусов поворота коленчатого вала, а закрывается в начале такта сжатия, когда коленвал пройдет положение н.м.т на 51-64 градусов. Таким образом, продолжительность открытия впускного клапана составит 240-270 градусов поворота коленчатого вала, что значительно увеличивает количество поступаемой в цилиндры горючей смеси.
Выпускной клапан открывается за 44-57 градусов до прихода поршня в н.м.т. в конце рабочего хода и закрывается после прихода поршня в в.м.т. такта выпуска на 13-27 градусов. Продолжительность открытия выпускного клапана составляет 240-260 градусов поворота коленчатого вала.
В двигателе бывают моменты (в конце такта выпуска и начале такта впуска) когда оба клапаны открыты. В это время происходит продувка цилиндров свежим зарядом горючей смеси для лучшей их очистки от продуктов сгорания. Этот период носит название перекрытие клапанов.
Моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженных в градусах поворота коленчатого вала, называются фазами газораспределения.
Основные неисправности газораспределительного механизма
Внешними признаками неисправности ГРМ являются: уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, падение мощности двигателя и металлические стуки.
Уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, а также падение мощности двигателя возможно вследствие плохого прилегания клапанов к седлам. Плохое прилегание клапана к седлу происходит вследствие отложения нагара на клапанах и седлах, образования раковин на рабочих поверхностях, коробления головок клапанов, поломки клапанных пружин, заедания стержня клапана в направляющей втулке, а также отсутствия зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом).
Падение мощности двигателя и резкие металлические стуки могут происходить вследствие неполного открытия клапанов. Эта неисправность возникает из-за большого теплового зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом) или отказа гидрокомпенсаторов.
К неисправностям ГРМ также относят износ шестерен распредвала и коленвала, направляющих втулок клапанов, втулок и осей коромысел, а также увеличенное осевое смещение распредвала.
Назначение и характеристика
«Механизм газораспределения двигателя»
Цель работы: изучить назначение, устройство, принцип действия, конструкцию газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя.
Ход работы:
Газораспределительным называется механизм, осуществляющий открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов двигателя.
Газораспределительный механизм (ГРМ) служит для своевременного впуска горючей смеси или воздуха в цилиндры двигателя и выпуска из цилиндров отработавших газов. В двигателях автомобилей применяются газораспределительные механизмы с верхним расположением клапанов. Верхнее расположение клапанов позволяет увеличить степень сжатия двигателя, улучшить наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом и упростить техническое обслуживание двигателя в эксплуатации. Двигатели автомобилей могут иметь газораспределительные механизмы различных типов (рисунок 1), что зависит от компоновки двигателя и, главным образом, от взаимного расположения коленчатого вала, распределительного вала и впускных и выпускных клапанов. Число распределительных валов зависит от типа двигателя.
При верхнем расположении распределительный вал устанавливается в головке цилиндров, где размещены клапаны. Открытие и закрытие клапанов производится непосредственно от распределительного вала через толкатели или рычаги привода клапанов. Привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала с помощью роликовой цепи или зубчатого ремня.
Верхнее расположение распределительного вала упрощает конструкцию двигателя, уменьшает массу и инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей механизма и обеспечивает высокую надежность и бесшумность его работы при большой частоте вращения коленчатого вала двигателя.
Цепной и ременный приводы распределительного вала также обеспечивают бесшумную работу газораспределительного механизма.
При нижнем расположении распределительный вал устанавливается в блоке цилиндров рядом с коленчатым валом. Открытие и закрытие клапанов производится от распределительного вала через толкатели штанги и коромысла. Привод распределительного вала осуществляется с помощью шестерен от коленчатого вала. При нижнем расположении распределительного вала усложняется конструкция газораспределительного механизма и двигателя. При этом возрастают инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей газораспределительного механизма. Число распределительных валов в газораспределительном механизме и число клапанов на один цилиндр зависят от типа двигателя. Так, при большем числе впускных и выпускных клапанов обеспечивается лучшие наполнение цилиндров горючей смесью и их очистка от отработавших газов. В результате двигатель может развивать большие мощность и крутящий момент. При нечетном числе клапанов на цилиндр число впускных клапанов на один клапан больше, чем выпускных.
Конструкция и работа газораспределительного механизма
Газораспределительные механизмы независимо от расположения распределительных валов в двигателе включают в себя клапанную группу, передаточные детали и распределительные валы с приводом.
В клапанную группу входят впускные и выпускные клапаны, направляющие втулки клапанов и пружины клапанов с деталями крепления.
Передаточными деталями являются толкатели, направляющие втулки толкателей, штанги толкателей, коромысла, ось коромысел, рычаги привода клапанов, регулировочные шайбы и регулировочные болты. Однако при верхнем расположении распределительного вала толкатели, направляющие втулки и штанги толкателей, коромысла и ось коромысел обычно отсутствуют.
На рисунке 2 представлен газораспределительный механизм двигателя с верхним расположением клапанов, с верхним расположением распределительного вала с цепным приводом и с двумя клапанами на цилиндр. Он состоит из распределительного вала 14 с корпусом 13 подшипников, привода распределительного вала, рычагов 11 привода клапанов, опорных регулировочных болтов 18 клапанов 1 и 22, направляющих втулок 4, пружин 7 и 8 клапанов с деталями крепления.
Рисунок 2 – Газораспределительный механизм легкового автомобиля с цепным приводом
1, 22 – клапаны; 2 – головка; 3 – стержень; 4, 20 – втулки; 5 – колпачок; 6 – шайбы; 7, 8, 17 – пружины; 9 – тарелка; 10 – сухарь; 11 – рычаг; 12 – фланец; 13 – корпус; 14 – распределительный вал; 15 – шейка; 16 – кулачок; 18 – болт; 19 – гайка; 21 – пластина; 23 – кольцо; 24, 27, 28 – звездочки; 25 – цепь; 26 – успокоитель; 29 – палец; 30 – башмак; 31 – натяжное устройство
Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Распределительный вал – пятиопорный, отлит из чугуна. Он имеет опорные шейки 15 и кулачки 16 (впускные и выпускные). Внутри вала проходит канал, через который подводится масло от средней опорной шейки к другим шейкам и кулачкам. К переднему торцу вала крепится ведомая звездочка 24 цепного привода. Вал устанавливается в специальном корпусе 13 подшипников, отлитом из алюминиевого сплава, который закреплен на верхней плоскости головки блока цилиндров. От осевых перемещений распределительный вал фиксируется упорным фланцем 12, который входит в канавку передней опорной шейки вала и прикрепляется к торцу корпуса подшипников.
Привод распределительного вала осуществляется через установленную на нем ведомую звездочку 24 двухрядной роликовой цепью 25 от ведущей звездочки 28 коленчатого вала. Этой цепью также вращается звездочка 27 вала привода масляного насоса. Привод распределительного вала имеет полуавтоматический натяжной механизм, состоящий из башмака и натяжного устройства. Цепь натягивается башмаком 30, на который воздействуют пружины натяжного устройства 31. Для гашения колебаний ведущей ветви цепи служит успокоитель 26. Башмак и успокоитель имеют стальной каркас с привулканизированным слоем резины. Ограничительный палец 29 предотвращает спадание цепи при снятии на автомобиле ведомой звездочки распределительного вала.
Клапаны открывают и закрывают впускные и выпускные каналы. Клапаны установлены в головке блока цилиндров в один ряд под углом к вертикальной оси цилиндров двигателя. Впускной клапан 1 для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью имеет головку большего диаметра, чем выпускной клапан. Он изготовлен из специальной хромистой стали, обладающей высокой износостойкостью и теплопроводностью. Выпускной клапан 22 работает в более тяжелых температурных условиях, чем впускной. Он выполнен составным. Его головку делают из жаропрочной хромистой стали, а стержень – из специальной хромистой стали.
Каждый клапан состоит из головки 2 и стержня 3. Головка имеет конусную поверхность (фаску), которой клапан при закрытии плотно прилегает к седлу из специального чугуна, установленному в головке блока цилиндров и имеющему также конусную поверхность.
Стержень клапана перемещается в чугунной направляющей втулке 4, запрессованной и фиксируемой стопорным кольцом 23 в головке блока цилиндров, обеспечивающей точную посадку клапана. На втулку надевается маслоотражательный колпачок 5 из маслостойкой резины. Клапан имеет две цилиндрические пружины: наружную 8 и внутреннюю 7. Пружины крепятся на стержне клапана с помощью шайб 6, тарелки 9 и разрезного сухаря 10. Клапан приводится в действие от кулачка распределительного вала стальным кованным рычагом 11, который опирается одним концом на регулировочный болт 18, а другим – на стержень клапана. Регулировочный болт имеет сферическую головку. Он ввертывается в резьбовую втулку 20, закрепленную в головке блока цилиндров и застопоренную пластиной 21, и фиксируется гайкой 19. Регулировочным болтом устанавливается необходимый зазор между кулачком распределительного вала и рычагом привода клапана, равный 0,15 мм на холодном двигателе и 0,2 мм на горячем двигателе (прогретом до 75…85 °C). Пружина 17 создает постоянный контакт между концом рычага привода и стержнем клапана.
Что такое ГРМ в автомобиле
Не ремонтируя машину самостоятельно, большинство автолюбителей плохо представляют, что такое ГРМ в автомобиле. Более того, далеко не все знают, как эта аббревиатура расшифровывается.
Если коротко, то ГРМ — это газораспределительный механизм. Понимая устройство газораспределительного механизма, причины поломок, правила обслуживания, легче избежать неисправностей, ведущих к капитальному ремонту двигателя.
Принцип работы ГРМ
Как понятно из названия, механизм управляет фазами газораспределения ДВС, то есть синхронизирует впрыск топливно-воздушной смеси, выпуск отработанных газов. Вращение коленчатого вала через шестерни, цепь или ремень ГРМ передается на распредвал, который управляет согласованным движением кулачков, открывающих впускные и выпускные клапаны.
Схематическое изображение устройства одного из возможных вариантов ГРМ
Конструктивно механизм состоит из десятков деталей. Кроме распределительных валов в него входят клапаны, сухари, толкатели, коромысла, штанги, тарелки, пружины, регулировочные элементы, системы поворота клапанов. Вращение кулачков распредвала обеспечивает раздельное осуществление фаз впрыска, сжатия, сгорания топлива (рабочего хода), выброса отработанных газов.
Конструкции ГРМ разделяют по расположению клапанов (нижнее, верхнее, смешанное). Для современных легковых моделей характерно использование ГРМ системы DOHC, с двумя клапанами на цилиндр. Каждый из двух распределительных валов открывает отдельный ряд клапанов, уменьшая инерцию коленчатого вала. Такая конструкция ГРМ увеличивает мощность двигателя, допустимое число оборотов.
Десмодромные ГРМ дорогих моделей управляются бортовыми компьютерами (электронными управляющими блоками). В них применяются электромагнитные клапаны, по команде микропроцессора меняющие режим работы двигателя. Это снижает расход топлива, помогает снимать с мотора оптимальную для режима движения мощность.
Поломки ГРМ и их причины
Внешними признаками поломок элементов газораспределительного механизма становятся металлические стуки в головке блока, падение мощности двигателя, синий цвет выхлопа, выстрелы глушителя, звонкие детонационные стуки, перегревы мотора.
Клапаны, погнутые в результате обрыва ремня
К причинам неисправностей ГРМ автомеханики относят износ деталей (при выработке ресурса двигателя), нарушение правил эксплуатации силового агрегата (экстремальные нагрузки, работа на максимальных оборотах), использование загрязненных смазок, бензина с примесями, смолами.
Это ведет к появлению распространенных поломок газораспределительного механизма:
- повышенному износу подшипников;
- нагару на клапанах;
- увеличению тепловых зазоров клапанов;
- деформациям пружин клапанов;
- неисправностям гидрокомпенсаторов;
- зависанию клапанов;
- удлинению цепи ГРМ;
- обрыву ремня ГРМ;
- износам зубчатого шкива, направляющих втулок, стержней клапанов, маслоотражающих колпачков.
Диагностика износа ГРМ усложняется сходством симптомов с неисправностями других систем двигателя. Для точного определения поломки необходим демонтаж головки блока цилиндров. При запоздавшей диагностике назревающих поломок к серьезным последствиям приводят обрывы ремня ГРМ, зависание клапанов.
Зависание клапанов бывает вызвано нагаром, резонансом, ослаблением пружин клапанов. Неисправность требует полной разборки механизма, в крайнем случае – замены клапанов. Обрыв ремня ведет к загибу, деформации клапанов, направляющих втулок, отрыву штоков. Может понадобиться замена клапанов, капитальный ремонт всего двигателя (включая замену поврежденного блока цилиндров).
Видео о ГРМ в автомобиле
Читайте также: Что такое ДМРВ и какие функции оно выполняет.
Обслуживание газораспределительного механизма
При техобслуживании автомобиля визуальный осмотр ремня доступен даже неопытным автолюбителям. Труднее определить растяжение цепного привода. Если на ремне видны трещины, значительные потертости, нитки корда, замена детали обязательна. Проверить натяжение ремня можно поворотом плоскости пальцами на 90 градусов.
Опытные владельцы машин, обладающие опытом ремонта, проводят замену ремня самостоятельно. Тонкими моментами операции становится совмещение меток шестерней валов (коленчатого, распределительного) с прорезями кожуха привода, определение пригодности натяжных роликов к дальнейшей эксплуатации, правильная регулировка натяжения.
Метки на шестернях валов и на кожухе
При выборе зубчатого ремня для замены, кроме соответствия размеров, нужно обращать внимание на материал привода. Лучшими считаются ремни из композитных материалов (тяговый слой из арамида, полиэстера, полиамида, наружное покрытие бутадиен-нитрильным каучуком). Такие производители зубчатых ремней как ContiTech, «Бош», Dayco, Habasit гарантируют для своей продукции:
- износостойкость;
- малую шумность;
- высокие показатели эластичности, прочности на разрыв;
- способность работать при повреждениях (незначительных трещинах, потертостях).
Операции измерения теплового зазора, диагностику направляющих втулок (определение зазора между клапанами и втулками) нужно доверить специалистам. Для этого требуется разборка ГРМ, использование специальных измерителей. Обращения в автосервис не избежать при сбоях фаз газораспределения (требующих регулировки), текущих ремонтах седел клапанов, заменах распределительных шестерен, направляющих втулок.
Похожие статьи
Эволюция ГРМ: шестерни, цепь и ремень
Любите спорить на автомобильную тему и рассуждать, что лучше — ремень или цепь? Ничто так не придает спорщику значимости, как знание истории развития механизмов! Мы расскажем вам о том, как появились и ушли в небытие разные приводы ГРМ.Два слова о ГРМ
Клапанный механизм газораспределения, сокращенно ГРМ, — это то, без чего четырехтактный двигатель существовать в принципе не может. Он открывает впускные клапана, впуская воздух или горючую смесь в цилиндры на такте впуска, открывает выпускные на такте выпуска и надежно запирает горящую в цилиндре смесь во время рабочего хода. От того, насколько хорошо он обеспечивает «дыхание» мотора — подачу воздуха и выпуск отработавших газов — зависит и мощность, и экологичность мотора.
Клапаны открывают и закрывают своими кулачками распределительные валы, а крутящий момент на них передается с коленвала, в чем, собственно, и состоит задача привода ГРМ. Сегодня для этого используют цепь или ремень. Но так было не всегда…
Старый добрый нижний распредвал
В начале ХХ века проблем с приводами распредвала не было — его раскручивали обычные шестерни, а к клапанам от него шли штанги толкателей. Клапаны располагались тогда сбоку, в «кармане» камеры сгорания, прямо над распределительным валом, и открывались-закрывались штангами. Потом клапаны стали ставить один напротив другого, чтобы уменьшить объем и площадь поверхности этого «кармана» — в результате неоптимальной формы камеры сгорания моторы имели повышенную склонность к детонации и плохой термический КПД: много тепла уходило в стенки головки блока цилиндров. И наконец, клапаны перенесли в область прямо над поршнем, и камера сгорания стала совсем небольшой и почти правильной формы.
Расположение клапанов сверху камеры сгорания и привод клапанов более длинными толкателями (так называемая схема OHV), предложенные еще в начале ХХ века Дэвидом Бьюиком, оказались самыми удобными. Такая схема вытеснила варианты моторов с боковыми клапанами в гоночных конструкциях уже к 1920 году. Например, именно она применяется в знаменитых двигателях Chrysler Hemi и моторах Corvette и в наше время. А моторы с боковыми клапанами могут помнить водители ГАЗ-52 или ГАЗ-М-20 «Победа», где данная схема применялась в двигателях.
И ведь так удобно все это было! Конструкция очень проста. Распредвал, оставаясь внизу, находится в блоке цилиндров, где прекрасно смазывается разбрызгиванием масла! Даже штанги и кулачки рокеров с регулировочными шайбами можно оставить снаружи при необходимости. Но прогресс не стоял на месте.
Почему отказались от штанг?
Проблема — в лишнем весе. В 30-е годы скорость вращения гоночных моторов на земле и авиационных моторов на самолетах достигла величин, при которых появилась необходимость облегчить механизм газораспределения. Ведь каждый грамм массы клапана вынуждает увеличивать и силу пружин, которые его закрывают, и прочность толкателей, через которые распредвал жмет на клапан, в результате потери на привод ГРМ быстро возрастают при увеличении оборотов мотора.
Выход был найден в переносе распределительного вала наверх, в головку блока цилиндров, что позволило отказаться от простой, но тяжелой системы с толкателями и значительно уменьшить инерционные потери. Поднялись рабочие обороты мотора, а значит, увеличилась и мощность. Например, Роберт Пежо создал в 1912 году гоночный двигатель с четырьмя клапанами на цилиндр и двумя верхними распредвалами. С переносом распределительных валов наверх, в головку блока, возникала и проблема их привода.
Первым решением было ввести промежуточные шестерни. Существовал, скажем, вариант с приводом дополнительным валом с коническими шестернями, как, например, на всем танкистам знакомом двигателе В2 и его производных. Такая схема применялась и на уже упомянутом моторе Peugeot, авиамоторах Curtiss К12 образца 1916 года и Hispano-Suiza 1915 года.
Еще одним вариантом стала установка нескольких цилиндрических шестерен, например в двигателях болидов Формулы-1 периода 60-х годов. Удивительно, но «многошестеренная» технология находила применение и совсем недавно. Например, на нескольких модификациях дизельных 2.5-литровых моторов Volkswagen, ставившихся на Transporter T5 и Touareg — AXD, AXE и BLJ.
Почему пришла цепь?
У шестеренчатого привода было много «врожденных» проблем, главная из которых — шумность. Помимо того, шестерни требовали точной установки валов, расчета зазоров и взаимной твердости материалов, а также — муфт гашения крутильных колебаний. В общем, конструкция при кажущейся простоте была мудреной, а шестерни — отнюдь не «вечными». Нужно было что-то другое.
Когда впервые применили цепь для привода ГРМ, точно неизвестно. Но одной из первых массовых конструкций был двигатель мотоцикла AJS 350 с цепным приводом в 1927 году. Конструкция оказалась удачной: цепь не только была тише и проще в устройстве, чем система валов, но и снижала передачу вредных крутильных колебаний за счет работы своей системы натяжения.
Как ни странно, цепь не нашла применения в авиационных моторах, и в автомобильных появилась значительно позже. Сначала она появилась в приводе нижнего распредвала вместо громоздких шестерен, но постепенно стала набирать популярность и в приводах с верхними распредвалами, однако особенно стала актуальна, когда появились моторы с двумя распредвалами. Например, цепью приводился ГРМ в двигателе Ferrari 166 1948 года и в поздних версиях мотора Ferrari 250, хотя ранние варианты его имели привод коническими шестернями.
В массовых моторах нужды в цепном приводе долго не возникало — до 80-х годов. Маломощные двигатели выпускались с нижним распредвалом, и это не только «Волги», но и Skoda Felicia, Ford Escort 1.3 и множество американских машин — на V-образных моторах штанги-толкатели стояли до последнего. А вот на высокофорсированных моторах европейских производителей цепи появились уже в 50-е годы и до конца 80-х оставались преобладающим типом привода ГРМ.
Как появился ремень?
Примерно тогда же у цепи появился опасный конкурент. Именно в 60-е развитие технологий позволило создать достаточно надежные зубчатые ремни. Хотя вообще-то ременная передача — одна из старейших, она использовалась для привода механизмов еще в античности. Развитие станочного парка с групповым приводом механизмов от паровой машины или водяного колеса обеспечило развитие технологий производства ремней. Из кожаных они стали текстильными и металлокордными, с применением нейлона и других синтетических материалов.
Первый случай использования ремня в приводе ГРМ относят к 1954 году, когда в гонках SCCA победил Devin Sports Car конструкции Билла Девина. Его мотор, согласно описанию, имел верхний распредвал и привод зубчатым ремнем. Первой же серийной машиной с ремнем в приводе ГРМ считается модель Glas 1004 1962 года небольшой немецкой компании, позднее поглощенной BMW.
В 1966 году, Opel/Vauxhall начал производство массовых моторов серии Slant Four с ремнем в приводе ГРМ. В том же году, несколько позже, появились моторы Pontiac OHC Six и Fiat Twincam, тоже с ремнем. Технология стала по-настоящему массовой.
Причем мотор от Fiat чуть было не попал на наши» Жигули»! Рассматривался вариант его установки вместо нижневального мотора Fiat-124 на будущий ВАЗ 2101. Но, как известно, старый мотор просто переделали под верхние клапаны, а в качестве привода поставили цепь.
Как видно, сначала ремень использовался исключительно на недорогих моторах. Ведь его основными преимуществами была низкая цена и малая шумность привода, что актуально для небольших машин, не обремененных шумоизоляцией. Но его нужно было регулярно менять и следить, чтобы на него не попадали агрессивные жидкости и масло, причем интервал замены уже тогда был немаленьким и составлял 50 тысяч километров.
И все же славу не слишком надежного способа привода ГРМ он получить успел. Ведь достаточно было погнуться одной шпильке или выйти из строя одному ролику, как его ресурс снижался в разы.
Серьезно снижало ресурс и замасливание — тут не всегда помогал даже герметичный кожух, ведь моторы тех лет имели весьма примитивную систему вентиляции картерных газов и масло все равно попадало на ремень.
Впрочем, все нюансы применения некачественных ремней ГРМ у нас знакомы владельцам переднеприводных ВАЗ. Мотор 2108 разрабатывался как раз в 80-е, на пике увлечения ремнями. Тогда их стали ставить даже на большие моторы вроде ниссановского RB26, и надежность лучших образцов была на уровне. С тех пор споры о том, что лучше — цепь или ремень, не утихают ни на минуту. Будьте уверены, прямо сейчас, пока вы читаете эти строки, на каком-нибудь форуме или в курилке два апологета разных приводов спорят до полного изнеможения.
В следующей публикации я подробно разберу все плюсы и минусы цепных и ременных приводов. Оставайтесь на связи!
Читайте также:
Схема устройства и работа механизма газораспределения
В четырехтактных двигателях применяют клапанный механизм газораспределения, служащий для своевременной подачи в цилиндры воздуха (в дизелях) или горючей смеси (в карбюраторных двигателях) и для выпуска из цилиндров отработавших газов. Клапаны в определенные моменты открывают и закрывают впускные и выпускные каналы головки цилиндров, т.е. обеспечивают сообщение цилиндров двигателя с впускным и выпускным трубопроводами. В изучаемых двигателях используют механизм газораспределения с верхним расположением клапанов и нижним положением распределительного вала.
Рис. Схема механизма газораспределения: 1 — ось коромысел; 2 — регулировочный винт; 3 — контргайка; 4 — стойка; 5 — штанга; 6 — толкатель; 7 — распределительный вал; 8 — шестерня распределительного вала; 9 — шестерня коленчатого вала; 10 — промежуточная шестерня; 11 — поршень; 12 — клапан; 13 — головка цилиндров; 14 — направляющая втулка; 15 — пружина клапана; 16 — коромысло
Механизм газораспределения состоит из:
- впускных и выпускных клапанов с пружинами
- передаточных деталей от распределительного вала к клапанам
- распределительного вала
- шестерни
Механизм работает следующим образом: коленчатый вал с помощью шестерен вращает распределительный вал 7, каждый кулачок которого, набегая на толкатель 6, поднимает его вместе со штангой 5. Последняя, в свою очередь, поднимает один конец коромысла 16, при этом другой конец, двигаясь вниз, давит на клапан 12. Клапан опускается и сжимает пружину 15. Когда кулачок распределительного вала 7 сходит с толкателя 6, штанга 5 и толкатель опускаются, а клапан 12 под действием пружины «садится в седло» и плотно закрывает отверстие канала.
Для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов и заполнения их свежим воздухом или горючей смесью клапаны открыты дольше, чем в простейшем двигателе. От степени наполнения цилиндров «свежим зарядом» и степени очистки их от отработавших газов во многом зависит мощность двигателя.
Для того чтобы в цилиндры двигателя поступило больше воздуха или горючей смеси, впускные клапаны должны открываться с опережением, т.е. до прихода поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ). При большой частоте вращения коленчатого вала такт впуска повторяется часто, поэтому во впускном трубопроводе создается разрежение и воздух поступает в цилиндры двигателя, несмотря на то, что поршень некоторое время движется вверх. Поступление воздуха в цилиндры через открытый клапан продолжается по инерции и после того, как поршень пройдет нижнюю мертвую точку (НМТ). Впускной клапан закрывается с некоторым запаздыванием. Периоды от момента открытия клапанов до момента их закрытия, выраженные в угловых градусах поворота коленчатого вала, называют «фазами газораспределения». Их можно изобразить в виде таблицы, либо в виде круговой диаграммы, как, например, на рисунке. За счет опережения открытия и запаздывания закрытия впускного клапана период впуска воздуха у двигателя ЗМЗ-53 продлевается от 180 до 268°.
Рис. Диаграмма фаз газораспределения двигателя ЗМЗ-53
После закрытия впускного клапана происходят сжатие смеси и рабочий ход поршня. Выпуск отработавших газов из цилиндра, или открытие выпускного клапана, начинается до прихода поршня в НТМ, за 50° по углу поворота коленчатого вала. Выпускной клапан закрывается после прохода поршнем ВМТ. Продолжительность открытия выпускного клапана по углу поворота коленчатого вала составляет 252°.
В конце такта выпуска и начале такта впуска оба клапана некоторое время открыты одновременно, что соответствует 46 по углу поворота коленчатого вала. Такое угловое перекрытие тактов клапанов способствует лучшей очистке цилиндра от отработавших газов в результате его продувки свежим воздухом.
Моменты открытия и закрытия клапанов у каждого двигателя различны и зависят от профиля кулачков распределительного вала, а также от величины зазоров между клапанами и коромыслами.
ГРМ двигателя автомобиля
Механизм газораспределения служит для осуществления своевременного впуска в цилиндр горючей смеси (например, бензина и воздуха) и выпуска отработавших газов. В головке блока цилиндров помещаются минимум два клапана – впускной и выпускной. Клапаны приводятся в движение деталями механизма газораспределения. Через впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь или воздух; через выпускной клапан выходят отработавшие газы в атмосферный воздух через систему выпуска.
Устройство и принцип действия механизма газораспределения
В бензиновых и дизельных двигателях применяется механизм газораспределения клапанного типа, сейчас уже, в основном, с верхним расположением клапанов. Это значит, что клапаны находятся сверху, в головке блока цилиндров, как показано на рисунке 4.8.
Так, при верхнем расположении клапаны с пружинами и деталями их крепления установлены в направляющих втулках в головке блока цилиндров, в которой также отлиты впускные и выпускные каналы.
Рисунок 4.8 Головка блока цилиндров с газораспределительным механизмом.
Усилие от кулачков распределительного вала, расположенного здесь же – в головке блока, к клапанам передается с помощью толкателей и/или коромысел. Коромысла установлены шарнирно на оси, закрепленной на головке блока. Клапаны на головке закрыты крышкой.
О тепловом зазоре
Между стержнем клапана, толкателем или концом коромысла газораспределительного механизма должен быть зазор (так называемый тепловой зазор), который необходим для компенсации удлинения стержня клапана при его нагревании без нарушения плотности посадки клапана в гнезде. Другими словами, если бы не было зазора, грубо говоря, между кулачком распредвала и клапаном, то от нагрева до высокой температуры, клапан увеличился бы в длину и перестал бы плотно прилегать к седлу в головке блока цилиндров.
Величина зазора для двигателей разных марок устанавливается для впускных клапанов в холодном состоянии в пределах 0,15—0,30 мм, а для выпускных клапанов, подвергающихся большему нагреву, — в пределах 0,20—0,40 мм. Однако же, у некоторых производителей зазор может быть таков, что не попадет в указанные диапазоны.
Для регулировки величины этого зазора в механизме предусмотрены регулировочные устройства. Хотя слово «устройство» слишком громкое для регулировочного болта и стопорной гайки (Рисунок 4.9) или шайб различной толщины (Рисунок 4.10).
Рисунок 4.9 Регулировка теплового зазора с помощью болта.
Рисунок 4.10 Регулировка теплового зазора с помощью шайб
(А – головка блока цилиндров без распределительного вала;
Б – головка блока цилиндров с распределительным валом).
Сейчас очень распространена конструкция с гидравлическими компенсаторами, которые под давлением масла подводят коромысло или толкатель к кулачку распределительного вала, убирая тем самым негативное последствие теплового зазора, а именно — удар кулачка о толкатель во время работы. Но стоит упомянуть, что установка гидрокомпенсаторов удорожает конструкцию головки блока цилиндров и повышает свои требования к качеству используемого моторного масла и к частоте его замены, поскольку масляные каналы компенсатора могут забиваться продуктами износа.
Примечание
Более подробно о гидрокомпенсаторах приведено ниже.
Предварительно о распределительном вале
Примечание
Почему предварительно? Потому что для целостности восприятия данного раздела о распределительном вале необходимо сказать несколько слов, а более подробное описание данной детали будет дано ниже.
Правильность чередования различных тактов в цилиндрах двигателя достигается соответствующим расположением кулачков на распределительном валу, а также правильностью установки зацепления распределительных шестерен/шкивов с приводной шестерней/шкивом коленчатого вала.
В четырехтактном двигателе рабочий цикл во всех цилиндрах завершается за два оборота коленчатого вала. За это время в каждом цилиндре должны по одному разу открыться и закрыться впускной и выпускной клапаны, что происходит за каждый оборот распределительного вала. Таким образом, распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее коленчатого вала. Для этого шестерня распределительного вала имеет вдвое большее число зубьев, чем шестерня коленчатого вала, либо же шкив по диаметру должен быть в два раза больше шкива коленчатого вала.
Фазы газораспределения четырехтактного двигателя
Для лучшего наполнения цилиндров свежим зарядом и наиболее полной очистки их от отработавших газов моменты открытия и закрытия клапанов в четырехтактных двигателях не совпадают с положениями поршней в ВМТ и НМТ, а происходят с определенным опережением или запаздыванием. Иначе говоря, впускной клапан может закрываться после того, как поршень пройдет НМТ, а выпускной — закрываться после ВМТ.
Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах, соответствующих величинам углов поворотов кривошипа коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения. Фазы газораспределения могут быть нанесены на круговую диаграмму, называемую диаграммой газораспределения, как показано на рисунке 4.11.
Пожалуй, будет проще показать это на примере. Так, если говорят, что клапан открывается за 5 градусов до ВМТ, значит клапан начал открываться в то время, когда кривошип коленчатого вала, к которому присоединен шатун поршня, находился за 5 градусов до верхней мертвой точки.
Рисунок 4.11 Диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя.
Впускной клапан начинает открываться немного раньше, чем поршень придет в ВМТ. При этом к началу хода поршня вниз при такте впуска клапан уже немного откроется. Опережение открытия впускного клапана для двигателей разных моделей колеблется в разных диапазонах. Зачастую закрытие впускного клапана происходит с определенным запаздыванием, когда поршень перейдет НМТ и начнет двигаться вверх. При этом некоторое время после перехода НМТ, несмотря на начавшееся незначительное движение поршня вверх, заполнение цилиндра зарядом будет продолжаться вследствие некоторого разрежения, еще имеющегося в цилиндре, а также вследствие инерции заряда, движущегося во впускном трубопроводе.
Примечание
Однако стоит отметить, что существует как минимум два цикла, именуемых циклами Миллера и Аткинсона, при которых впускной клапан закрывается не так, как на обычных ДВС.
Таким образом, время открытия впускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала; продолжительность впуска при этом увеличивается, и цилиндр более полно заполняется свежим зарядом.
Выпускной клапан открывается раньше прихода поршня в НМТ.
При этом газы, находясь в цилиндре под большим давлением, быстро начинают выходить наружу, несмотря на то, что поршень еще движется вниз. Затем поршень, пройдя НМТ и двигаясь к ВМТ, будет выталкивать оставшиеся в цилиндре газы. Выпускной клапан закрывается тогда, когда поршень перейдет ВМТ. Несмотря на то, что поршень начнет уже немного опускаться вниз, газы будут продолжать выходить из цилиндра по инерции и вследствие отсасывающего действия потока газов, движущихся в выпускном трубопроводе. Таким образом, время открытия выпускного клапана больше времени, в течение которого происходит полуоборот вала, и цилиндр лучше очищается от отработавших газов.
Примечание
Угол поворота кривошипа, соответствующий положению, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно открыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие незначительности этого угла и ничтожной величины зазора между клапанами и гнездами, возможность утечки горючей смеси исключена. Перекрытие клапанов необходимо для дополнительной продувки цилиндра с целью лучшей наполняемости свежим зарядом.
Некоторое уменьшение давления газов на поршень, происходящее при рабочем ходе вследствие раннего открытия выпускного клапана, и потеря части работы газов при этом восполняются тем, что поршень, движущийся при такте выпуска вверх, не испытывает большого сопротивления от газов, оставшихся в небольшом количестве в цилиндре.
Изменение фаз газораспределения
С развитием технологий перед конструкторами и инженерами открылись серьезные перспективы в повышении эффективности работы двигателя – увеличение мощности с одновременным снижением расхода топлива стало новым трендом в автомобильной промышленности. Для того, чтобы оптимизировать работу двигателя внутреннего сгорания, необходимо подстраивать фазы газораспределения под все режимы нагрузки – от холостого хода до полной нагрузки.
Примечание
Обороты холостого хода — это минимальные обороты, при которых двигатель может работать устойчиво без нагрузки. Вы запустили двигатель, при этом никакого движения и воздействия на педаль газа не происходит.
А как изменять фазы газораспределения? — Проворачивать распределительный вал относительно коленчатого вала, изменяя тем самым моменты открытия клапанов. Прибавим к этому управление опережением зажигания* и это даст возможность управлять началом и концом тактов двигателя и позволило настолько оптимизировать работу ДВС, что показатели мощности и расхода топлива улучшились многократно.
Примечание
* Опережение зажигания. Для того чтобы топливовоздушная смесь успела сгореть, пока поршень движется от верхней мертвой точки к нижней, ее необходимо поджигать немного раньше. Основным показателем является угол опережения зажигания, который говорит нам о том, за сколько градусов до ВМТ на такте сжатия возникнет пробой между электродами свечи. В зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель угол опережения зажигания должен изменяться, что реализуется с помощью распределителя зажигания или электронного блока управления двигателя (подробнее об этом рассмотрено в главе 10 «Электрооборудование и электросистемы», раздел 10.4 «Система зажигания»).
Суть системы проста. На распределительный вал (или валы) устанавливается специальный механизм, на внешней части которого есть звездочка для приводной цепи от коленчатого вала. Механизм этот устанавливается так, что может проворачивать распределительный вал в сторону опережения или запаздывания, в зависимости от режима работы двигателя.
Если говорить более подробно, то работа механизма изменения фаз газораспределения (фазовращателя) происходит, как описано ниже.
Коленчатый вал через приводную цепь вращает фазовращатель, который установлен на распределительном валу. В момент, когда необходимо сместить время открытия клапанов в сторону запаздывания или опережения, фазовращатель проворачивает распредвал в соответствующую сторону.
Рисунок 4.12 Внешний вид фазовращателя.
Фазовращатели, в основном, устанавливают на впускной распределительный вал (вал, который открывает только впускные клапаны), но сейчас все чаще данные механизмы монтируют на оба распредвала – впускной и выпускной.
Изменяемая высота клапана
В современных бензиновых двигателях количество топливной смеси регулируется с помощью дроссельной заслонки – заслонка открывается, поступает больше воздуха, в соответствии с этим впрыскивается больше топлива. Воздух, необходимый для приготовления топливовоздушной смеси, пока доберется до цилиндра, преодолеет несколько весьма неприятных препятствий: воздушный фильтр, дроссельную заслонку, клапаны, а это все потери, которые напрямую влияют на мощность ДВС. Попробуйте сами подышать в противогазе не с угольным а с бумажным фильтром… Вот так и двигателю «тяжело дышать». Одно из препятствий на пути воздуха, от которого мечтали избавиться конструкторы, это дроссельная заслонка. Однако как регулировать количество впускаемого воздуха? Решение снова было связано с клапанами. Пришли к тому, что необходимо регулировать высоту клапана. Были системы со ступенчатым регулированием высоты клапана, а именно: клапан открывался только на три разные высоты. Затем придумали систему бесступенчатого открытия клапанов с диапазоном открытия от 1 мм до 10 мм. Это позволило избавиться от дроссельной заслонки – двигателю стало легче «дышать». Однако избавление от дроссельной заслонки изменением высоты открытия клапанов не является самоцелью. Контроль над работой клапанов позволяет еще больше отточить работу четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Детали клапанной группы
К клапанной группе относятся клапан, направляющая втулка клапана, клапанная пружина с опорной шайбой и деталями крепления (они же — «сухари»). Все описанное приведено на рисунке 4.13.
Клапан служит для закрытия и открытия впускных или выпускных каналов в головке блока цилиндров. Основными элементами клапана являются тарелка и стержень.
Тарелка клапана имеет шлифованную конусную рабочую поверхность — фаску (обычно под углом 45°), которой клапан плотно притерт к седлу.
Стержень клапана отшлифован и проходит через направляющую втулку. На конце стержня клапана имеется канавка или отверстие для крепления опорной шайбы пружины. Разноименные клапаны имеют тарелки различных диаметров (зачастую, больший — у впускного клапана) или отличаются специальными метками.
Рисунок 4.13 Клапанный механизм.
Седло клапана (на рисунке 4.13) представляет собой металлическое кольцо цилиндрической формы с обработанной под углом 45 градусов рабочей поверхностью (той самой, к которой прилегает тарелка клапана). Седла клапанов запрессованы в головку блока цилиндров. Существуют конструкции с заменяемыми седлами и с седлами, запрессованными наглухо.
Направляющая втулка, в которой клапан устанавливается стержнем, обеспечивает точную посадку клапана в седло. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.
Рисунок 4.14 Клапан.
Клапанная пружина удерживает клапан в закрытом положении, обеспечивая плотную его посадку в гнезде, а также создает постоянное прижатие толкателя к поверхности кулачка распределительного вала. Пружину надевают на выходящий из втулки конец стержня клапана и закрепляют на нем в сжатом состоянии с помощью опорной шайбы с коническими разрезными сухарями, которые входят в выточку на стержне клапана. Иногда на клапан устанавливают две пружины: пружину меньшего диаметра — внутрь пружины большего диаметра. Это делается для того, чтобы избежать резонанса пружины на определенных частотах работы двигателя, а также для подстраховки на случай поломки пружины. Часто применяются пружины с переменным шагом витков. Это исключает вероятность возникновения вибрации пружины и ее поломки при большом числе оборотов коленчатого вала двигателя. При установке двух пружин их подбирают таким образом, чтобы направление навивки их витков было выполнено в разные стороны, что также устраняет опасность возникновения резонансных колебаний пружин.
Для ограничения количества масла, поступающего в направляющую втулку, и устранения подсоса масла в цилиндр через зазоры во втулке на верхних впускных клапанах под опорной шайбой ставят маслосъемные колпачки.
Толкатель служит для передачи осевого усилия от кулачка распределительного вала на стержень клапана или на штангу. Дело в том, что передавать усилие от кулачка распредвала лучше именное через промежуточное звено – толкатель. Поскольку при длительной работе элементы клапанного механизма изнашиваются и, когда приходит время замены чрезмерно износившихся деталей, проще заменять небольшой толкатель, нежели целый распредвал или клапаны.
Рисунок 4.15 Головка блока цилиндров с элементами газораспределительного механизма.
Как было отмечено выше, сейчас получили широкое распространение так называемые гидрокомпенсаторы. «Гидро», потому что работают за счет давления моторного масла, а «компенсаторы», так как компенсируют или, проще говоря, сводят на нет зазор между кулачком распределительного вала и толкателем во время работы.
Толкатели в большинстве двигателей устанавливают без втулок непосредственно в отверстия приливов головки блока цилиндров. В некоторых двигателях для толкателей имеются направляющие втулки, отлитые секцией на несколько цилиндров.
Коромысло. Изменяет направление передаваемого движения. Устанавливают зачастую, когда распределительный вал один, а клапанов на цилиндр два или четыре, но расположены они особым образом (смотрите рисунок 4.16). Коромысла устанавливают на бронзовых втулках или без втулок на осях, которые при помощи стоек закреплены на головке блока. Одно плечо коромысла располагается над стержнем клапана, а другое — под или над кулачком распределительного вала. Для регулировки зазора между стержнем клапана и коромыслом в конец коромысла вкручен регулировочный винт с контргайкой.
Рисунок 4.16 Привод клапанов через коромысло.
Распределительный вал и его привод
Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Вал имеет впускные и выпускные кулачки (смотрите рисунок 4.17) и опорные шейки*.
Рисунок 4.17 Газораспределительный механизм в сборе.
Примечание
* На рисунке 4.17 опорные шейки не показаны, так как изображение схематическое и приведено для предварительного ознакомления. Получить представление о внешнем виде распределительных валов можно из рисунка 4.18.
Кулачки изготавливают как одно целое с валом. Однако существуют сборные конструкции, когда кулачки напрессовывают на вал.
Для каждого цилиндра у четырехтактных двигателей в зависимости от количества клапанов имеются два и более кулачков: впускных и выпускных. Форма кулачка обеспечивает плавный подъем и опускание клапана и соответствующую продолжительность его открытия. Одноименные кулачки для каждого цилиндра (например, впускные) располагают в четырехцилиндровых двигателях под углом 90°, в шестицилиндровых — под углом 60° и в восьмицилиндровых — под углом 45°. Разноименные кулачки (впускные и выпускные) устанавливают под углом, величина которого зависит от фаз газораспределения. Вершины кулачков располагаются в принятом для двигателя порядке работы с учетом направления вращения вала.
Рисунок 4.18 Головка блока цилиндров с распределительными валами.
Как распредвал приводится во вращение?
Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала разными способами. Самыми распространенными являются: цепной и ременной привод, реже используется шестеренный.
Цепной привод. На конце коленчатого и распределительного валов устанавливают звездочки (как на велосипеде) и надевают приводную цепь. Для того чтобы исключить биение цепи, дополнительно устанавливают успокоитель, который представляет собой длинную планку, по которой перемещается цепь. Обычно с другой стороны устанавливают направляющую натяжителя цепи. Цепной привод можно изучить так же на рисунках 4.19 и 4.20.
Рисунок 4.19 Схема цепного привода газораспределительного механизма.
Рисунок 4.20 Пример цепного привода газораспределительного механизма.
Ременной привод. На коленчатый и распределительный валы устанавливаются зубчатые шкивы, чем-то напоминающие звездочки, однако намного шире их. На эти зубчатые шкивы надевается зубчатый ремень. Для удобства снятия и установки приводного ремня устанавливают натяжитель ремня (часто автоматический). Пример привода распределительного вала (или валов) с помощью зубчатого ремня приведен на рисунках 4.21 и 4.22.
Рисунок 4.21 Схема ременного привода газораспределительного механизма.
Рисунок 4.22 Пример ременного привода газораспределительного механизма.
Шестеренный привод. Привод распределительного вала осуществляется от шестерни на коленчатом валу через ряд промежуточных шестерен или напрямую, как показано на рисунке 4.23.
Рисунок 4.23 Шестеренный привод газораспределительного механизма.
Отключаемые клапаны
В погоне за экономичностью конструкторы решали одну из беспокоящих их проблем: что делать, когда двигатель, работая, использует всего 15–20 % своей мощности. Такое бывает, когда мы стоим, например, в пробке или едем по трассе на крейсерской скорости.
Примечание
Крейсерская скорость – скорость, при которой достигаются оптимальные показатели топливной экономичности. Термин, конечно, более подходящий для авиационной промышленности, однако, если мы едем по магистрали на пятой, а то и шестой передаче, то он вполне применим и в этой отрасли.
А если мощность используется не вся, то зачем работать всем цилиндрам двигателя? Что, если взять и отключить, например, на стоящем в пробке автомобиле, два из четырех цилиндров.
Ведь пары цилиндров вполне хватит для того, чтобы двигатель работал на холостых оборотах. В оставшиеся два цилиндра перестают подавать топливо и, чтобы они попросту не перекачивали воздух по впускному и выпускному коллектору, закрывают впускные и выпускные клапаны. Для выполнения такой незамысловатой операции придумали относительно простое решение: на распределительном вале рядом с обычными кулачками расположили кулачки с «нулевой высотой», то есть они никак не воздействуют на толкатель клапана.
Так при нормальной работе распределительный вал вращается и все клапаны выполняют свое назначение, а когда возникает необходимость в отключении клапанов, открывается специальный клапан, через который моторное масло под давлением, воздействуя на распределительный вал, смещает его в направлении продольной оси; кулачки с обычным профилем как открывали, так и открывают клапаны, а там где кулачки имеют «нулевую высоту», они просто-напросто не достают до клапанов, и те, в свою очередь, стоят неподвижно.
Примечание
Различные фирмы в разные времена предложили несколько схем реализации описанной выше операции по отключению части клапанов. Выше приведен лишь один из способов.
Газораспределительный механизм. Назначение и устройство ГРМ :: SYL.ru
В легковом автомобиле двигатель не сможет функционировать должным образом без четкой и слаженной работы ГРМ. Он отвечает за своевременный впрыск горючего в цилиндры, а также выводит из системы отработанный газ. Еще одна важная особенность — метки ГРМ. Нужно четко соблюдать их, в противном случае впрыск и выпуск газов собьются.
Это устройство обладает сложной конструкцией. ГРМ состоит из таких деталей и механизмов: приводные элементы, распределительный вал и распределительная шестерня, элементы привода клапана, непосредственно клапан и пружины, а также направляющие втулки. Работа газораспределительного механизма синхронизируется с зажиганием и впрыском.
Распределительный вал
Работа распределительного вала заключается в том, чтобы открывать клапаны в том порядке, который необходим для правильного функционирования двигателя. Для производства этих деталей используют чугун либо же специальную сталь. Чтобы уменьшить износ детали, ее поверхности закаляются при помощи тока высокой частоты, при этом они нагреваются.
Есть два места, в которых может располагаться распредвал. Это либо картер двигателя, либо головка блока цилиндров. Также есть варианты двигателей, когда в головке находятся сразу два распредвала (многоклапанные ДВС). Вращается распредвал на специальных опорных шейках.Классификация двигателей в зависимости от числа распредвалов
В зависимости от количества распредвалов двигатели подразделяют на двойные (DOHC — Double Overhead Camshaft) и одинарные (SOHC — Single Overhead Camshaft). Если рассматривать двигатель типа DOHC, то там один распредвал управляет впускными, а другой — выпускными клапанами. В SOHC эти функции выполняет один распредвал.
Привод клапанов выполняется с помощью кулачков, которые закреплены на распредвале. Их число напрямую зависит от количества клапанов. В зависимости от конструкции двигателя оно может колебаться от двух до пяти на один цилиндр. Есть различные конфигурации клапанов: два впускных и один выпускной, по два каждого типа, три впускных и два выпускных. Форма же кулачков отвечает за то, как именно будет открываться и закрываться клапан, время его открытия и высоту подъема.
Привод распредвала: общая информация
Привод распредвала от коленвала может осуществляться тремя различными способами: с помощью ремня (ременная передача), цепи (цепная передача), а если конфигурация двигателя предусматривает нижнее расположение распредвала, то с помощью зубчатых шестеренок. Самым надежным по праву считается именно цепной привод, но он отличается сложностью конструкции и высокой ценой. Ременной же привод гораздо проще, но и ресурс работы у его ремня ниже, а если тот порвется, последствия могут быть плачевными.
Если ремень обрывается, то работа распредвала останавливается, а коленвал продолжает работать. Чем же это грозит? Если двигатель многоклапанный, то при работе поршни будут ударяться о клапаны, которые остаются в открытом состоянии. Это может не только повредить стержни, но и направляющие втулки. Может даже разрушиться сам поршень. В простых двуклапанных двигателях такой проблемы нет, поэтому там ремонт ограничивается всего лишь заменой ремня.
Если обрывается ремень газораспределительного механизма на дизельном двигателе, то последствия будут еще тяжелее, чем на бензиновом. Поскольку камера сгорания находится в поршнях, у клапанов очень мало места. Так что если клапан зависает в открытом положении, то разрушаются на только стержни и втулки, но и распредвал, подшипники, толкатели, есть высокий шанс деформации шатунов. А если ремень обрывается на высоких оборотах, то можно даже повредить блок цилиндров.
Привод газораспределительного механизма: разновидности
В зависимости от расположения распредвала существует несколько видов привода ГРМ. Если распредвал имеет нижнее расположение, то усилие на клапаны передается с помощью толкателей, штанг и коромысел. Если же распредвал находится вверху, есть три варианта работы привода: коромыслами, толкателями и рычагами.
Коромысла также называют рокерами или роликовыми рычагами, они изготавливаются из стали, крепятся на ось, которая установлена в головке цилиндра на стойки. Коромысла упираются в кулачки распредвала, а также воздействуют на торец стрежня клапана. Для того чтобы уменьшить трение во время их работы, в отверстие запрессовывают специальную втулку.
Если распредвал располагается над клапанами, то они приводятся в движение посредством рычагов. Кулачки распредвала воздействуют на стержень клапана. Есть разновидности ГРМ, в которых ставится гидрокомпенсатор между рычагом и клапаном. Такие экземпляры не требуют регулировки зазора.
В третьем варианте распредвал воздействует непосредственно на сам толкатель клапана. Толкатели бывают механическими, гидро- и роликовыми. Первые практически не используют, так как они слишком шумные, а также требуют регулировки зазора. Самым популярным является второй тип, поскольку гидротолкатели не требуют такой регулировки и работают на порядок тише. Они действуют на основе моторного масла, оно постоянно заполняет внутренние полости и таким образом смещает поршень при появлении зазора.
Часто роликовые толкатели используют в форсированных двигателях, так как они улучшают динамику за счет снижения трения. Все дело в том, что при взаимодействии кулачок катится по толкателю, а не трется, так как в том месте расположен ролик.
Клапаны
Клапанное распределение получило наибольшее распространение в силу своей простоты и высокой надежности. Оно позволяет наиболее эффективно воплощать в жизнь назначение газораспределительного механизма.
Задача клапанов — это открытие впускных и выпускных каналов в определенное время. Сам клапан имеет довольно простое строение — головка и стержень. Для впускных и выпускных клапанов головки имеют разные диаметры. Поскольку выпускные при работе нагреваются гораздо больше (так как они контактируют с отработанными нагретыми газами), их делают из теплоустойчивой стали.
На стержнях в верхней части есть выточка для крепления деталей клапанной пружины. Сами они изготовлены полыми, с наполнением из натрия (обеспечивается лучшее охлаждение). Стержни закреплены во втулках, которые делаются из металлокерамики или чугуна. Втулки, в свою очередь, запрессовываются в головки цилиндра.
Возможные неисправности в ГРМ
Так как газораспределительный механизм состоит из большого количества деталей, логично будет предположить, что существует большой риск его поломки. Среди самых распространенных причин можно выделить следующие:
— износ подшипников или толкателей клапана — можно определить по повышенному шуму мотора;
— неполадки с гидрокомпенсаторами — проявляются в виде стука при работе двигателя;
— прогорание клапанов или образование нагара в системе;
— износ сальников клапана — масло попадает в систему и начинает сгорать в цилиндрах;
— износ ремня или цепи ГРМ — падает мощность двигателя, он шумит, происходят сбои в фазах работы.
Стоит сказать, что на современных авто ГРМ выполнен достаточно качественно, это значительно повышает его эксплуатационный срок. Ведь если, например, взять газораспределительный механизм ВАЗ 2106, то можно увидеть, что он нуждался в постоянном уходе, регулировке клапанов и замене тех или иных деталей.
Признаки, по которым можно определить, что газораспределительный механизм неисправен, — это посторонние звуки в выпускном и впускном трубопроводах (хлопки или шум), уменьшение компрессии, металлический стук или падение мощности двигателя. Появление этих признаков сигнализирует о том, что ГРМ неисправен и необходим его ремонт.
Рабочий цикл двигателя и ГРМ
По стандарту рабочий цикл ДВС осуществляется за 2 поворота коленвала. В этот промежуток времени должны открыться и закрыться в определенной последовательности клапаны каждого цилиндра. Поэтому распредвал всегда вращается медленнее, чем коленвал. Соответственно, размеры шестерен у этих валов разные (у распредвала больше). Клапаны же открываются в зависимости от направления и движения цилиндров в двигателе. То есть во время такта впуска впускные клапаны открыты, и наоборот — при выпуске они закрыты. Именно с этой целью на шестерни наносятся метки ГРМ.
Газораспределительные фазы
Теория говорит, что клапаны должны открываться в моменты прохождения цилиндров через мертвые точки. Но поскольку процесс инерционен, а также при учете повышенных оборотов коленвала, этого времени явно недостаточно для впрыска смеси и выпуска отработанных газов. Поэтому впускной клапан открывается еще до того как цилиндр займет положение в верхней мертвой точке (с упреждением примерно 9-24 градуса поворота коленвала), а закрытие происходит во время прохождения цилиндром нижней мертвой точки (упреждение 51-64 градуса).
Выпускной клапан открывается примерно за 44-57 градусов до того как цилиндр займет положение в нижней мертвой точке. Закрывается он примерно на 13-27 градусах прохождения ее цилиндром.
В процессе работы двигателя бывают моменты, когда открыты оба клапана. Это положение предназначено для продувки цилиндров свежей горючей смесью с целью их очистки от излишних продуктов сгорания. Оно называется перекрытием клапанов.
Моменты, когда происходит открытие или закрытие клапана относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения, они рассчитываются в градусах поворота коленвала.
Ремонт газораспределительного механизма
Естественно, что такая важная часть автомобиля, как ГРМ, просто не потерпит небрежного обращения. Конечно, газораспределительный механизм двигателя — достаточно надежный узел, но даже его можно сломать полностью. Одной из причин поломок может стать некачественный ремонт. Поэтому стоит внимательно относиться к этому.
Что нужно знать?
Первое, что нужно знать, перед тем как проводить ремонт газораспределительного механизма своими руками, — то, что его выполнить очень трудно. Для этого нужны технические навыки, которые вряд ли есть у обычного автомобилиста. Также будут необходимы определенные инструменты, которые можно найти далеко не в каждом гараже. Да и любое неосторожное движение может вызвать последствия, которые окажутся гораздо хуже, чем первоначальная поломка. Поэтому всегда стоит доверять ремонт ГРМ своего автомобиля только проверенным специалистам.
Устройство газораспределительного механизма таково, что чаще всего в процессе его эксплуатации выходят из строя движущиеся части: клапаны, кулачки, распредвал. Ели повреждения или неисправности не критические, вполне можно обойтись и без замены каких-либо деталей. Но если они будут серьезными, нужно быть готовым тратить деньги на покупку и установку новых запчастей. Определенную сумму придется также выложить и за саму процедуру ремонта.
Полезные советы
Как и любая другая техника, автомобиль может работать долго и безотказно, если его правильно эксплуатировать. И наоборот, небрежное обращение с ним только увеличит шанс поломок.
Газораспределительный механизм — это одна из важнейших частей, без которых двигатель не сможет функционировать. Поэтому забота о нем — фактор, который не стоит упускать из виду.
Как же уберечь ГРМ от поломок?
Во-первых, всегда нужно использовать только качественное топливо. Если оно будет с посторонними примесями, могут засориться выходы клапанов, будет давать перебои двигатель. То же самое касается и комплектующих — бракованные запчасти долго не проработают и нанесут только вред. Так что всегда стоит выбирать для своего авто только лучшие детали и расходные материалы.
Не менее важный фактор — правильная эксплуатация. Не стоит подвергать автомобиль перегрузкам, которые будут вредными для него. Перегрев двигателя, работа с неисправными узлами, длительная эксплуатация без техобслуживания снижают срок работы машины и разрушают ее узлы и детали. Поэтому правилами эксплуатации авто также не стоит пренебрегать.