устройство, принцип работы, назначение, техническое обслуживание и ремонт

ГРМ — это один из наиболее ответственных и сложных узлов в автомобиле. Газораспределительный механизм управляет впускными и выпускными клапанами двигателя внутреннего сгорания. На такте впуска ГРМ выполняет открытие впускного клапана, благодаря чему воздух и бензин попадают в камеру сгорания. На такте выпуска открывается выпускной клапан и удаляются отработанные газы. Давайте подробно рассмотрим устройство, принцип действия, типичные поломки и многое другое.

Основные узлы ГРМ

Основным элементом газораспределительного механизма является распредвал. Их может быть несколько или же один в зависимости от конструктивных особенностей ДВС. Распределительный вал выполняет своевременное открытие и закрытие клапанов. Изготавливается из стали или чугуна, а устанавливается в блоке цилиндров или картере. Отсюда можно сделать вывод, что есть несколько конструкций двигателей — с верхним и нижним расположением распределительного вала. На валу имеются кулачки, которые при вращении распредвала оказывают действие через толкатели на клапан. Для каждого клапана предусмотрен свой толкатель и кулачок.

Впускные и выпускные клапаны необходимы для подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания и удаления отработанных газов. Впускные клапаны выполняют из стали с хромированным покрытием, а выпускные — из жаропрочной стали. Клапан имеет стержень, на котором крепится тарелка. Обычно впускные и выпускные клапаны отличаются между собой диаметром тарелки. Также к ГРМ стоит отнести штанги и привод.

Устройство газораспределительного механизма

Стоит еще несколько слов сказать об устройстве впускных и выпускных клапанов. Стержень клапана имеет цилиндрическую форму и канавку для установки пружины. Движение клапанов возможно только в одном направлении — к втулкам. Для того чтобы моторное масло не попадало в камеру сгорания, ставят уплотнительные колпачки из маслостойкой резины.

Есть еще такой узел, как привод ГРМ. Это передача вращения с коленчатого на распределительный вал. Примечательно то, что на два оборота коленвала приходится один распределительного. Собственно, это является рабочим циклом, при котором происходит открытие клапанов. Стоит заметить, что мотор с двумя распределительными валами более мощный и имеет выше КПД. Особенно это заметно на высоких оборотах. К примеру, когда ДВС оснащается одним распредвалом, то маркировка выглядит так: 1,6 литра и 8 клапанов. А вот два вала — это уже всегда в два раза большее количество клапанов, то есть 16. Ну а сейчас пойдем дальше.

Работа газораспределительного механизма

Принцип действия на всех моторах, если речь идет о таких типах, как ДВС, практически одинаков. Всю работу можно условно разделить на 4 этапа:

• впрыск топлива;
• сжатие;
• рабочий цикл;
• удаление отработанных газов.

Подача горючего в камеру сгорания осуществляется за счет движения коленчатого вала из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ). При начале движения поршня открываются впускные клапаны, и топливно-воздушная смесь подается в камеру сгорания. После этого клапан закрывается, коленвал за это время проворачивается на 180 градусов от исходного положения.

После того как поршень доходит до НМТ, он поднимается вверх. Следовательно, начинается фаза сжатия. Когда достигается ВМТ, фаза считается законченной. Коленвал в это время проворачивается на 360 градусов от своего начального положения.

Рабочий ход и удаление газов

Когда поршень достигает ВМТ, происходит воспламенение рабочей смеси от свечей зажигания. В это время достигается максимальный момент сжатия и оказывается высокое давление на поршень, который начинает движение к нижней мертвой точке. Когда поршень опустится, то рабочий ход можно считать законченным.

Заключительная фаза — удаление отработанных газов из камеры сгорания. Когда поршень достиг НМТ и начинает свое движение к ВМТ, происходит открытие выпускного клапана и избавление камеры сгорания от газов, которые образовались в результате горения топливно-воздушной смеси. При достижении поршня НМТ фазу удаления газов принято считать законченной. При этом коленчатый вал от своего начального положения проворачивается на 720 градусов. Для достижения максимальной точности необходима синхронизация газораспределительного механизма двигателя с коленчатым валом.

Основные неисправности ГРМ

От того, насколько своевременно и качественно будет проводиться техническое обслуживание мотора, зависит его техническое состояние. В процессе эксплуатации все элементы подвергаются износу. Это касается и ГРМ. Основные неисправности механизма выглядят следующим образом:

• Низкая компрессия и хлопки в выпускной системе. В процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания образуется нагар, который становится причиной неплотного прилегания клапана к седлу. На клапанах появляются раковины, а иногда и сквозные отверстия (прогар). Также компрессия падает из-за деформации головки блока цилиндров и прохудившейся прокладки.
• Заметное падение мощности и тяги, посторонние металлические стуки и троение. Основная причина — неполное открытие впускных клапанов в результате большого теплового зазора. Часть воздушно-топливной смеси не попадает в камеру сгорания. Это происходит из-за выхода из строя гидрокомпенсаторов.
• Механический износ деталей. Происходит в процессе эксплуатации двигателя и считается нормальным явлением. В зависимости от периодичности и качества обслуживания ДВС признаки критического износа на одном типе силового агрегата могут проявляться при различном пробеге.
• Износ цепи или ремня ГРМ. Цепь растягивается и может перескочить или вовсе порваться. Это касается и ремня, срок службы которого ограничен не только пробегом, но и временем.

Как выполняется диагностика ГРМ?

Газораспределительный механизм ВАЗ или любой другой машины работает по одному принципу. Следовательно, способы диагностики и основные неисправности, как правило, одни и те же. Основные поломки — неполное открытие клапанов и неплотное прилегание к гнездам.

Если клапан не закрывается, то появляются хлопки во впускном и выпускном коллекторах, а также снижается тяга и мощность мотора. Происходит это из-за нагара на гнездах и клапанах, а также по причине потери упругости пружин.

Диагностика проводится довольно просто. Первым делом проверяют фазы газораспределения. Дальше замеряют тепловые зазоры между коромыслом и клапаном. Помимо этого проверяется зазор между седлом и клапаном. Если говорить о механическом износе деталей, то больше всего поломок связано с критическим износом шестеренок, в результате чего ремень или цепь неплотно прилегают к зубу и возможно проскальзывание.

Фазы ГРМ и тепловой зазор

Самостоятельно продиагностировать состояние фаз газораспределительного механизма довольно сложно. Для этого необходим набор таких инструментов, как малка-угломер, моментоскоп, указатель и др. Процедура выполняется на заглушенном двигателе. Малка-угломер устанавливается на шкив коленчатого вала. Проверяется период открытия клапана всегда в 1-м цилиндре. Для этого вручную проворачивают коленчатый вал до появления зазора между клапаном и коромыслом. С помощью малки-угломера на шкиве определяют зазор и делают выводы.

Самый простой, но наименее точный метод замера теплового зазора выполняется с помощью набора пластин длиной 100 мм и максимальной толщиной 0,5 мм. Выбирается один из цилиндров, на котором будут проводиться замеры. Его необходимо довести до ВМТ с помощью ручного поворота коленчатого вала. В сформировавшийся зазор вставляются пластины. Метод не дает 100%-й точности и результата. Ведь допустимая погрешность зачастую слишком велика. Кроме того, если имеется неравномерный износ бойка коромысла и штока, то полученные данные вообще можно во внимание не брать.

Обслуживание ГРМ

Как показывает практика, большая часть поломок газораспределительного механизма связана с несвоевременным ТО. К примеру, производитель рекомендует менять ремень каждые 120 тысяч километров. Владелец же не берет во внимание эти данные и использует ремень по 200 тысяч. В результате последний рвется, сбиваются метки ГРМ, клапаны сталкиваются с поршнями и требуется капитальный ремонт. Это же касается и такого элемента механизма, как водяной насос. Он создает необходимое давление охлаждающей жидкости для ее циркуляции по системе. Разрушение крыльчатки или выход из строя уплотнительной прокладки приводят к серьезным проблемам с двигателем. Ролики и натяжитель тоже подлежат замене. Любой подшипник рано или поздно выходит из строя. Если своевременно менять ролики и сам натяжитель, то шанс столкнуться с такой проблемой минимален. Заклинивание ролика очень часто приводит к обрыву ремня. Именно поэтому необходимо выполнять своевременное техническое обслуживание газораспределительного механизма.

О ремонте ГРМ

В большинстве случаев при обрыве ГРМ на средних и высоких оборотах требуется капитальный ремонт двигателя. Практически всегда замене подлежит цилиндро-поршневая группа. Но даже при нормальной эксплуатации детали подвергаются износу. Первым делом страдают шейки, кулачки, а также существенно увеличиваются зазоры в подшипниках коленвала. Выполняются все работы только специалистами при помощи высокоточного оборудования. Все проточки делаются под ремонтные размеры, которые закладываются заводом-изготовителем. Обычно предусмотрено 2 капитальных ремонта, после чего двигатель необходимо менять на аналогичный.

Немного информации о метках

Как уже было отмечено выше, ГРМ — узел сложный и крайне ответственный. Если привод газораспределительного механизма не синхронизирован, то завести автомобиль не выйдет. Основная причина рассинхронизации — сбитые метки. Ремень или цепь могут ослабиться из-за выхода из строя натяжителя или естественного износа. Метки выставляются относительно коленчатого вала. Для этого снимается шкив, что позволит нам увидеть шестеренку, на ней есть метка, которая должна совпадать с отметкой на масляном насосе или блоке. Соответствующие метки имеются и на распределительных валах. Используя инструкцию по эксплуатации, выставляют метки ГРМ. Очень важно понимать, что от правильности выполнения работ зависит результат. Перепрыгнувший на один зуб ремень — это не страшно, мотор будет работать, но с отклонениями. Если же метка уйдет на несколько делений, то завести авто будет невозможно.

Качественные запасные части

Мы разобрались с тем, каково назначение газораспределительного механизма. Вы уже знаете, что это очень ответственный узел, который должен регулярно обслуживаться. Но важно учитывать еще и качество запасных частей. Ведь именно от них зачастую зависит срок службы ГРМ. Квалифицированная установка оригинальных комплектующих системы газораспределительного механизма практически полностью гарантирует бесперебойную работу узла в течение срока до планового обслуживания. Что касается сторонних производителей, то тут нет никаких гарантий, особенно если речь идет о комплектующих из Китая посредственного качества.

Подведем итоги

Чтобы узел работал исправно, его необходимо вовремя обслуживать. Стоит понимать, что чем сложнее мотор, тем дороже обойдется комплект ГРМ. Но экономить однозначно не стоит. Ведь скупой платит дважды. Поэтому лучше один раз купить дорогие запасные части и спать спокойно. Замену водяной помпы при ее неисправности можно приравнять к полной замене механизма. Далеко не любая конструкция двигателя позволяет допускать такие ошибки, ведь это будет стоить приличных денег. На некоторых силовых агрегатах обрыв ремня не приводит к капиталке, но на это рассчитывать не стоит.

fb.ru

работа, устройство, метки ГРМ, назначение и принцип работы

3614 Просмотров

Главной частью двигателя внутреннего сгорания является система газораспределения. Данная конструкция установлена на всех автомобилях с двигателем внутреннего сгорания. Надежность и целостность данной системы является одним из пунктов регламента технического обслуживания. Существуют различные конструкции системы газораспределения, оборудованных разными устройствами привода, таких как: ременный, цепной и шестеренчатый. В этой статье мы рассмотрим все виды данных конструкций, а также объясним, что такое ГРМ, и дадим некоторые указания на те или иные отличия в данных системах.

Типы ГРМ и их устройство

Газораспределительный механизм любого автомобиля, оборудованный двигателем внутреннего сгорания, содержит в себе систему привода. Такие схемы подразделяются на несколько типов приводов, давайте рассмотрим каждый. Характеристики любого двигателя никак не влияют на продолжительность эксплуатации всей системы.

Ременной тип

Наиболее распространенным типом привода считается ременной. Ременной привод состоит из нескольких зубчатых шкивов, установленных на валу газораспределителя, а также на коленчатом валу. Вдобавок зубчатый вид имеет шкив водяного насоса.

Для обеспечения оптимального прилегания ремня ГРМ к поверхностям шкивов, применяются промежуточные ролики (блоки). Благодаря промежуточным роликам, ремень работает строго на своем месте, что способствует отсутствию перескоков зубчатого соединения во время работы двигателя внутреннего сгорания.

Чтобы ремень держался плотно и не проскакивал, инженеры устанавливают систему натяжения, которая автоматически регулирует натяжку ремня на разных режимах работы двигателя внутреннего сгорания. Такое взаимодействие служит отличным способом продлить срок службы всей схемы.

Особенности данной схемы способствуют прямому назначению во благо тишины работы мотора. Замена деталей ременного привода предусматривает сам ремень и промежуточные ролики, а также натяжительный механизм. Срок службы этих деталей может составить около 150 тысяч километров пробега, однако завод изготовитель рекомендует производить замену деталей ГРМ каждые 90 тысяч километров пробега.

Главное при замене деталей системы – соблюдать метки ГРМ, иначе вы рискуете навредить двигателю, что приведет к загибанию клапанов в седлах и направляющих головки блока цилиндров.

Цепной тип

Наиболее надежным приводом в системе газораспределительного механизма ДВС считается цепной. Используя цепь в механизме газораспределителя, инженеры добились более эффективной надежности работы двигателя внутреннего сгорания. В данной системе используются специальные шестеренки, напоминающие по своему виду велосипедные звездочки, однако они явно отличаются от них. Характеристики моторов изменяются в зависимости от состояния ГРМ независимо от особенностей.

В большинстве автомобилей, где используется цепь, применяется технология двух рядной цепи. Такая схема необходима для обеспечения максимальной надежности и долговечности конструкции. Однако такая система имеет свои минусы, так как цепь имеет свойство растягиваться, что способствует рассинхронизации меток.

Как мы знаем, в случае если сбиваются метки, мотор начинает терять мощность, что способствует его дальнейшему износу.

При обслуживании газораспределительного механизма любого двигателя внутреннего сгорания оборудованным цепным устройством привода, рекомендуется менять весь комплект, который включает в себя: цепь, звездочки, натяжитель и успокоитель.

Самостоятельно произвести замену цепи и всего комплекта практически невозможно, однако большинство сервисов берутся за данную работу без проблем.

Как правило, на большинстве автомобилей цепной привод ГРМ работает порядка 250 тысяч километров пробега, а далее требует замены.

Шестеренчатый тип

Заключительным видом ГРМ считается шестеренчатый. В данном типе ГРМ используется блок шестерён, с помощью которых происходит взаимодействие коленчатого и распределительного валов. Устройство ГРМ с механическим приводом шестерен предусматривает установку блока шестеренного механизма, который устанавливается непосредственно внутри двигателя внутреннего сгорания.

В данной системе отсутствуют какие-либо ролики и натяжные устройства, а также отсутствует и система успокоения. Виды этого ГРМ напоминают устройство коробки переключения передач, за исключением того, что шестеренки в ГРМ имеют иную форму зубьев привода. Такие системы наиболее часто встречаются на автомобилях марки Volkswagen на дизельных двигателях объемами 2.5 литра. Как правило, такие моторы устанавливаются на грузовые автобусы.

Обслуживание данного типа газораспределительного механизма считается очень сложным процессом, так как при необходимости заменить некоторые детали приходится разбирать весь силовой агрегат. Замене подлежат практически все детали, которые взаимодействуют с данной схемой. Благодаря какому устройству и постоянной смазке, блок шестерён распределительного механизма, обладает весьма большим моторесурсом, что ставит его наравне с цепным приводом.

Производить ремонт и обслуживание данной системы необходимо на специализированном сервисе.

Принцип работы системы ГРМ и его устройство

Газораспределительный механизм любого автомобиля выполняет один и тот же принцип вне зависимости от типа используемого привода. Давайте рассмотрим, как именно работает ГРМ.

Исходя из того, что большинство двигателей имеют четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск; чтобы работала вся система ДВС необходимо синхронизировать работу распределительного и коленчатого вала силового агрегата.

В этом и заключается предназначение схемы ГРМ. Вне зависимости от положения коленчатого вала, распределитель имеет свое положение относительно поршня или шатуна. В момент пуска, клапаны имеющие свое предназначение открываются, что дает приток новой порции топливно-воздушной смеси. После чего впускные клапана закрываются, и происходит воспламенение топливно-воздушной смеси, после чего начинается рабочий ход поршня и выпуск отработанных газов. Принцип предельно прост – контролировать синхронизацию двух валов.

В случае повреждения, газораспределительный механизм способствует саморазрушению двигателя из-за рассинхронизации меток.

Заключение

Как следует из нашей статьи, газораспределительный механизм имеет одинаковую функцию вне зависимости от типа используемого привода. Обслуживать газораспределительный механизм необходимо в специальных мастерских. Такое действие обуславливается тем, что необходимо производить расшифровку ГРМ по его номеру. Механизм газораспределения играет очень важную роль.

portalmashin.ru

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.

monolith.in.ua

Распределительный вал двигателя внутреннего сгорания: назначение, устройство, принцип действия

Основной функцией распределительного вала (распредвала) является обеспечение открытия/закрытия впускных и выпускных клапанов, при помощи которых осуществляется подача  ТВС (топливовоздушной смеси) и вывод образовавшихся газов. Распредвал является главной деталью ГРМ (газораспределительного механизма), принимающей участие в сложном процессе газообмена в автомобильном двигателе.

Современный ГРМ может оснащаться одним или двумя распредвалами. В механизме с одним валом сразу обслуживаются все клапаны впуска и выпуска (по 1 клапану впуска и выпуска на цилиндр). В механизме, оснащенном двумя валами, один распредвал запускает клапаны впуска, другой вал – клапаны выпуска (по 2 клапана впуска и выпуска на цилиндр).

Расположение газораспределительного механизма напрямую зависит от типа автомобильного двигателя. Различают ГРМ с верхним клапанным расположением (в цилиндровом блоке) и с нижним клапанным расположением (в головке цилиндрового блока).

Наиболее распространенным вариантом является верхнее расположение, благодаря чему возможно осуществить эффективную настройку и обслуживание распределительного вала.

Принцип действия и устройство распредвала

Распределительный вал соединяется с коленвалом при помощи цепи или ремня, надетого на шкив распредвала и звездочку коленчатого вала. Вращательные движения вала в опорах обеспечивают специальные подшипники скольжения, благодаря этому вал воздействует на клапана, запускающие работу клапанов цилиндров. Этот процесс происходит в соответствии с фазами образования и распределения газов, а также рабочим циклом двигателя.

Установка фаз распределения газов происходит согласно установочным меткам, которые имеются на шестернях или шкиве. Правильная установка обеспечивает соблюдение последовательности наступления рабочих циклов двигателя.

Основной деталью распредвала являются кулачки. При этом количество кулачков, которыми оснащается распредвал, зависит от количества клапанов. Основное назначение кулачков – осуществление регулировки фаз процесса газообразования. В зависимости от типа конструкции ГРМ кулачки могут взаимодействовать с коромыслом или толкателем.

«Nockenwelle ani». Под лицензией Public domain с сайта Викисклада — https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nockenwelle_ani.gif#mediaviewer/…

Кулачки устанавливаются между опорными шейками, по два на каждый цилиндр двигателя. Распредвалу во время работы приходится преодолевать сопротивление пружин клапанов, которые служат возвратным механизмом, приводя клапана в исходное (закрытое) положение.

На преодоление этих усилий расходуется полезная мощность двигателя, поэтому конструкторы постоянно думают, как можно уменьшить потери мощности.

Для того чтобы уменьшить трение между толкателем и кулачком, толкатель может оснащаться специальным роликом.

Помимо этого, разработан специальный десмодромный механизм, в котором реализована беспружинная система.

Опоры распределительных валов оснащены крышками, при этом передняя крышка является общей. Она имеет упорные фланцы, которые соединяются с шейками валов.

Распредвал изготавливается одним из двух способов – ковкой из стали или литьем из чугуна.

Системы фаз газораспределения

Как уже было сказано выше, количество распредвалов соответствует типу двигателя.

В рядных двигателях с одной парой клапанов (по одному клапану впуска и выпуска) цилиндр оснащается только одним валом. В рядных двигателях с двумя парами клапанов установлено два вала.

В двигателях оппозитных и V-образных может быть установлен один  вал (в развале), либо два в каждой головке блока цилиндров.

В настоящее время современные двигатели могут быть оснащены различными системами фаз газораспределения:

• VVT-i. В подобной технологии фазы регулируются поворотом распределительного вала по отношению к звездочке на приводе
• Valvetronic. Технология позволяет регулировать высоту подъема клапанов за счет смещения оси вращения коромысла
• VTEC. Данная технология предполагает регулирование фаз распределения газов за счет использования кулачков на регулируемом клапане

Итак, подытожим… распредвал, являясь основным звеном газораспределительного механизма, обеспечивает своевременное и точное открытие клапанов двигателя. Это обеспечивается точной подгонкой формы кулачков, которые надавливая на толкатели, заставляют клапана двигаться.

autodromo.ru