Газораспределительный механизм двигателя, конструкция и принцип действия

Газораспределительный механизм (ГРМ) — это совокупность деталей и узлов, которые открывают и закрывают впускные и выпускные клапана двигателя в заданный момент времени. Основная задача газораспределительного механизма — своевременная подача топливовоздушной или топлива (в зависимости от типа двигателя) в камеру сгорания и выпуск выхлопных газов. Для решения этой задачи слаженно работает целый комплекс механизмов, некоторые из которых управляются электронным способом.

Как устроен ГРМ

В современных двигателях газораспределительный механизм расположен в головке блока цилиндров двигателя. Он состоит из следующих основных элементов:

• Распределительный вал. Это изделие сложной конструкции, изготовленное из прочной стали или чугуна с высокой точностью обработки. В зависимости от конструкции ГРМ распределительный вал может быть установлен в головке блока цилиндров или в картере (в настоящее время такое расположение не используется). Это основная часть, отвечающая за последовательное открытие и закрытие клапанов.

Вал имеет опорные шейки и кулачки, которые толкают стержень клапана или коромысло. Форма кулачка имеет строго определенную геометрию, так как от этого зависит продолжительность и степень открытия клапана. Кроме того, кулачки выполнены разнонаправленными, чтобы обеспечить попеременную работу цилиндров.

• Привод. Крутящий момент от коленчатого вала передается через привод на распределительный вал. Привод различается в зависимости от конструктивного решения. Шестерня коленчатого вала в два раза меньше шестерни распредвала. Таким образом, коленчатый вал вращается вдвое быстрее. В зависимости от типа привода в него входят:

1. цепь или ремень;
2. шестерни валов;
3. натяжитель (натяжной ролик);
4. успокоитель и башмак.

• Впускные и выпускные клапаны. Они расположены на головке блока цилиндров и представляют собой стержни с плоской головкой на одном конце, называемая тарелкой. Впускные и выпускные клапаны различаются по конструкции. Впускной выполнен цельным. Он также имеет тарелку большего диаметра для лучшего заполнения цилиндра свежим зарядом. Выпускной обычно изготавливается из жаропрочной стали и имеет полый стержень для лучшего охлаждения, так как при эксплуатации он подвергается воздействию более высоких температур. Внутри полости находится наполнитель из натрия, который легко плавится и отводит часть тепла от тарелки к стержню.

На головках клапанов сделаны специальные фаски для обеспечения более плотной посадки в отверстиях в головке блока цилиндров. Это место называется седлом. Помимо самих клапанов, в механизме предусмотрены дополнительные элементы для обеспечения их правильной работы:

1. Пружины. Возвращают клапаны в исходное положение после нажатия.
2. Маслосъемные колпачки. Это специальные уплотнения, предотвращающие попадание масла в камеру сгорания по стержню клапана.
3. Направляющая втулка. Устанавливается в корпусе головки блока цилиндров и обеспечивает точное перемещение клапана.
4. Сухари. С их помощью к стержню клапана крепится пружина.

• Толкатели. Через толкатели усилие передается от кулачка распределительного валам к стержню. Изготовлены из высокопрочной стали. Они бывают разных типов:

1. механические — стаканы;
2. роликовые;
3. гидрокомпенсаторы.

Тепловой зазор между механическими толкателями и кулачками распределительного вала регулируется вручную. Гидравлические компенсаторы или гидравлические толкатели автоматически поддерживают необходимый тепловой зазор и не требуют регулировки.

• Коромысло или рычаги. Простое коромысло — это двуплечий рычаг, совершающий качательные движения. В разных компоновках коромысла могут работать по-разному.
• Системы изменения фаз газораспределения. Эти системы устанавливаются не на все двигатели. Более подробно об устройстве и принципе работы CVVT можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Описание работы ГРМ

Работу газораспределительного механизма сложно рассматривать отдельно от рабочего цикла двигателя. Его основная задача — вовремя открывать и закрывать клапаны на определенный промежуток времени. Следовательно, на такте впуска — открываются впускные, а на такте выпуска — выпускные. То есть фактически механизм должен реализовывать рассчитанные фазы газораспределения.

Технически это происходит следующим образом:

1. Коленчатый вал передает крутящий момент через привод на распределительный вал.
2. Кулачок распределительного вала давит на толкатель или коромысло.
3. Клапан перемещается внутрь камеры сгорания, открывая доступ свежему заряду или выхлопному газу.
4. После того, как кулачок прошел активную фазу воздействия, клапан возвращается на место под действием пружины.

Также следует отметить, что за полный рабочий цикл распредвал делает 2 оборота, поочередно открывая клапаны на каждом цилиндре в зависимости от порядка их работы. То есть, например, при схеме работы 1-3-4-2 одновременно будут открываться впускные клапаны на первом цилиндре и выпускные клапаны на четвертом. Во втором и третьем клапаны будут закрыты.

Виды газораспределительного механизма

Двигатели могут иметь разные схемы ГРМ. Рассмотрим следующую классификацию.

По положению распредвала

Есть два типа положения распределительного вала:

• нижнее;
• верхнее.

В нижнем положении распределительный вал расположен на блоке цилиндров рядом с коленчатым валом. Воздействие от кулачков через толкатели передается на коромысла, при этом используются специальные штанги. Это длинные стержни, которые соединяют толкатели внизу с коромыслами наверху. Нижнее расположение не считается самым удачным, но имеет свои преимущества. В частности, более надежное соединение распредвала с коленчатым валом. В современных двигателях такой тип устройства не используется.

В верхнем положении распределительный вал находится в головке блока цилиндров, чуть выше клапанов. В этом положении можно реализовать несколько вариантов воздействия на клапаны: с помощью толкателей коромысла или рычагов. Такая конструкция проще, надежнее и компактнее. Более распространенным стало именно верхнее положение распредвала.

По количеству распредвалов

Рядные двигатели могут комплектоваться одним или двумя распредвалами. Двигатели с одним распредвалом обозначаются аббревиатурой SOHC(Single Overhead Camshaft), а с двумя — DOHC(Double Overhead Camshaft). Один вал отвечает за открытие впускных клапанов, а другой — за выпускные. V-образные двигатели используют четыре распредвала, по два на каждый ряд цилиндров.

По количеству клапанов

Форма распределительного вала и количество кулачков будут зависеть от количества клапанов на цилиндр. Может быть два, три, четыре или пять клапанов.

Самый простой вариант с двумя клапанами: один работает на впуск, другой — на выпуск. В трехклапанном двигателе два впускных и один выпускной клапаны. В варианте с четырьмя клапанами: два впускных и два выпускных. Пять клапанов: три для впуска и два для выпуска. Чем больше клапанов на впуске, тем больший объем топливовоздушной смеси поступает в камеру сгорания. Соответственно увеличена мощность и динамика двигателя. Сделать больше пяти не позволит размер камеры сгорания и форма распределительного вала. Чаще всего используется четыре клапана на цилиндр.

По типу привода

Существует три типа приводов распределительных валов:

1. Шестеренчатый. Этот вариант привода возможен только в том случае, если распределительный вал находится в нижнем положении блока цилиндров. Коленчатый и распределительный валы приводятся в движение шестернями. Главное достоинство такого агрегата — надежность. Когда распределительный вал находится в верхнем положении в головке блока цилиндров, используются цепной и ременный привод.
2. Цепной. Этот привод считается более надежным. Но использование цепи требует особых условий. Для гашения колебаний установлены успокоители, а натяжение цепи регулируется натяжителями. В зависимости от количества валов могут использоваться несколько цепей.
   

   Ресурса цепи хватает в среднем на 150-200 тысяч километров.

   Основной проблемой цепного привода считается неисправность натяжителей, успокоителей или обрыв самой цепи. При недостаточном натяжении цепь при работе может проскальзывать между зубьями, что приводит к нарушению фаз газораспределения.

   Помогает автоматически регулировать натяжение цепи гидронатяжители. Это поршни, которые давят на так называемый башмак. Башмак прилегает непосредственно к цепи. Это деталь со специальным покрытием, изогнутая по дуге. Внутри гидронатяжителя находятся плунжер, пружина и рабочая полость для масла. Масло поступает в натяжитель и толкает цилиндр до нужного уровня. Клапан закрывает масляный канал и поршень постоянно поддерживает правильное натяжение цепи Гидравлические компенсаторы в ГРМ работают по аналогичному принципу. Успокоитель цепи поглощает остаточные колебания, которые не были погашены башмаком. Это гарантирует идеальную и точную работу цепного привода.

   Самая большая проблема может возникнуть из-за разрыва цепи.

   Распределительный вал перестает вращаться, но коленчатый вал продолжает вращаться и перемещать поршни. Днища поршней достигают тарелки клапанов, вызывая их деформацию. В самых тяжелых случаях также может быть поврежден блок цилиндров. Чтобы этого не произошло, иногда используют двухрядные цепи. Если одна рвется, другая продолжает работать. Водитель сможет исправить ситуацию без последствий.

3. Ременный.Ременный привод не требует смазки, в отличие от цепного привода.
   

   Ресурс ремня тоже ограничен и составляет в среднем 60-80 тысяч километров пробега.

   Ремни зубчатой формы используются для лучшего сцепления и надежности. Этот более простой. Разрыв ремня при работающем двигателе будет иметь те же последствия, что и разрыв цепи. Основные преимущества ременной передачи — простота эксплуатации и замены, невысокая стоимость и бесшумная работа.

От правильного функционирования всего газораспределительного механизма зависит работа двигателя, его динамика и мощность. Чем больше количество и объем цилиндров, тем сложнее будет устройство синхронизации. Каждому водителю важно понимать устройство механизма, чтобы вовремя заметить неисправность.