Механизм газораспределения

Газораспределительный механизм (ГРМ) является сложным механизмом в конструкции любого силового агрегата. Механизм газораспределения отвечает за управление впускными и выпускными клапанами двигателя внутреннего сгорания. Газораспределительный механизм обеспечивает наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью или воздухом посредством открытия впускного клапана в точно заданный момент времени на такте впуска. Второй задачей ГРМ является удаление отработавших газов из камеры сгорания двигателя посредством открытия выпускного клапана на такте выпуска.

ГРМ осуществляет открытие и закрытие групп клапанов строго в определенный момент работы двигателя на такте впуска или выпуска, работа данного механизма полностью синхронна с зажиганием (для бензинового мотора) и топливным впрыском.

Смазка ДВСРекомендуем также прочитать статью об устройстве системы смазки двигателя. Из этой статьи вы узнаете о назначении, принципах работы и устройстве смазочной системы, а также о видах систем смазки ДВС.

Другими словами, в момент нажатия на педаль газа водитель открывает дроссельную заслонку, что означает больший приток воздуха во впускной коллектор. Большее количество воздуха приводит к образованию большего количества топливно-воздушной смеси. Задачей ГРМ становится немедленное увеличение пропускной способности для лучшего наполнения камеры сгорания и дальнейший выпуск отработавших газов. Для этого необходимо увеличение частоты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.

Привод ГРМ напрямую реализован от коленчатого вала (коленвала) двигателя. Клапаны двигателя приводятся в действие распределительным валом. Получается, что увеличение частоты вращения коленвала заставляет распределительный вал (распредвал) вращаться быстрее, что и увеличивает частоту открытия и закрытия клапанов. Результатом становится увеличение оборотов двигателя и повышение отдачи от силового агрегата. Взаимосвязь распределительного и коленчатого валов позволяет ДВС эффективно получить и сжечь топливно-воздушную смесь в том количестве, которое необходимо для того или иного режима работы мотора.

Эволюция: верхняя и нижняя компоновка клапанов

Нижнеклапанный ДВСДвигатель внутреннего сгорания в процессе эволюции получил нижнеклапанную и верхнеклапанную схему компоновки клапанов. Нижнеклапанный двигатель представляет собой ДВС с нижним расположением клапанов. Конструкция газораспределительного механизма двигателя с нижним расположением клапанов подразумевает то, что тарелка клапана направлена вверх. Клапаны перевернуты и расположены не сверху цилиндра двигателя, а сбоку. Моторы с нижнеклапанной схемой получили аббревиатуру SV (англ. side-valve), что означает «боковой клапан».

Главным отличием моторов типа SV становится относительная простота нижнеклапанного двигателя сравнительно с моторами типа OHV, SOHC, DOHC и т.д. К недостаткам относят низкую эффективность наполнения камеры сгорания топливно-воздушной смесью. Это означает, что нижнеклапанный двигатель менее эффективен и потенциально имеет меньшую степень форсировки. Вторым серьезным недостатком стала явная склонность моторов подобного типа к перегреву.

Нижнеклапанные двигатели были широко распространены на гражданских авто и другой технике до середины 20-го века, хотя с самого начала эпохи двигателестроения высокофорсированные гоночные авто получали более совершенные схемы устройства механизма газораспределения.

Верхняя компоновка клапановСегодня подавляющее большинство ДВС оснащены газораспределительными механизмами с верхним расположением клапанов. Такая схема компоновки быстро вытеснила нижнеклапанную в 60-е, когда мощность двигателя стала приоритетной задачей для инженеров. Верхнеклапанный ГРМ позволял избавиться от множества дополнительных деталей, которые конструктивно необходимы для реализации нижнеклапанной схемы. Верхнее расположение позволило кулачкам распредвала напрямую и без потерь давить на штоки клапанов. Устойчивая работа ДВС на максимальных оборотах, эффективное наполнение цилиндров и возросшая мощность стали результатом применения верхнеклапанной схемы.

Верхнее расположение клапанов заметно упростило ремонт и обслуживание силового агрегата. Размещение распределительного вала в верхней части мотора сделало возможным снижение общей массы, уровня шума и вибраций в процессе работы силового агрегата. Более того, верхнеклапанная конструкция позволила ГРМ и двигателю эволюционировать дальше, так как стало возможным увеличение количества клапанов на один цилиндр (сегодня моторы могут иметь 8,16, 24 и более клапанов). Также появилась возможность реализовать установку не одного, а сразу двух распредвалов (один вал для впускных, а другой вал для выпускных клапанов). Главным недостатком верхнеклапанной конструкции считается цепная или ременная система привода клапанов.

Устройство газораспределительного механизма

Механизм газораспределения состоит из ряда составных элементов, которые выполняют следующие функции:

Схема устройства ГРМ

  • механизм привода распредвала вращает вал с нужной скоростью;
  • распределительный вал открывает и закрывает клапаны;
  • клапаны осуществляют открытие и закрытие впускных и выпускных каналов;

Основой всего ГРМ являются клапаны и распределительный вал (кулачковый вал). Распредвал представляет собой элемент, на котором выполнены так называемые кулачки. Распредвал свободно вращается на подшипниках. В процессе вращения распределительного вала указанные кулачки нажимают на толкатели клапанов в тот самый момент, когда в цилиндре двигателя происходит такт впуска или выпуска.

Механизм газораспределения частично расположен в верхней зоне блока цилиндров ДВС. Местом установки стала головка блока цилиндров (ГБЦ). В головке находится распредвал и его подшипники, сами клапаны, коромысла или толкатели клапанов. Верх головки прикрывает клапанная крышка. Данная крышка клапанов устанавливается на головку блока цилиндров с использованием специальной уплотнительной прокладки.

Ремень и цепь ГРМ: особенности привода

Шкив привода распредвала вынесен из ГБЦ. Для предотвращения утечек масла шейка распредвала имеет сальник. Механизм газораспределения приводится в действие ремнем или цепью. Цепь или зубчатый ремень ГРМ надевается на шкив распределительного вала или ведомую звездочку с одной стороны, а с другой стороны усилие передается от шестерни коленчатого вала.

Цепной или ременной привод клапанов обеспечивает важнейшее требование — неизменное положение коленчатого и распределительного вала (или нескольких валов) по отношению друг к другу. Даже малейшее отклонение приведет к отсутствию синхронизации и сбоям в работе двигателя. Более серьезные нарушения немедленно проявляются в виде серьезной поломки ДВС.

Цепной и ременной привод ГРМ

Цепная передача с использованием роликовой цепи считается более надежной, но присутствуют определенные сложности с обеспечением необходимого натяжения. Основным недостатком ремня ГРМ является потенциальный риск его обрыва, который в ряде случаев приводит к загибу клапанов.

В списке дополнительных элементов также находятся натяжные ролики для натяжения ремня ГРМ, для цепи используется натяжитель цепи ГРМ («башмак» цепи). К недостаткам цепного привода ГРМ также относят повышенный шум в процессе работы. Минусом ремня ГРМ считается необходимость его замены каждые 50-60 тыс. км, а также контроль состояния ремня и роликов с определенной периодичностью.

Клапанный механизм

ГБЦ и клапанный механизмЧто касается клапанного механизма, сюда относятся направляющие втулки, седла клапанов, возвратные пружины, механизм вращения клапана и другие детали. Распределительный вал в нужный момент передает усилие сразу на шток (стержень) клапана или же через промежуточное звено — рокер (коромысло клапана).

Конструктивно встречаются ГРМ, которые требуют периодической регулировки. В конструкции предусмотрены специальные регулировочные болты и шайбы для выставления допустимых зазоров. Существует также решение, когда требуемый зазор постоянно поддерживается автоматически. Регулировка зазора в таких механизмах осуществляется посредством гидрокомпенсаторов.

Управление фазами газораспределения

В конструкции современного двигателя за последние годы произошли серьезные изменения. Речь идет о появлении управляющих систем на основе микропроцессоров (ЭБУ ). На фоне постоянного роста цен на топливо и ужесточения экологических норм приоритетной задачей двигателестроения стала не только мощность агрегатов, но и экономичность.

Понизить расход топлива и улучшить эксплуатационные показатели ДВС без потерь мощности удалось благодаря появлению распределенного впрыска и систем контроля работы ГРМ. Такие системы изменения фаз газораспределения (англ. Variable Valve Timing, VVT) получили международное признание и активно используются ведущими автопроизводителями по всему миру.

Изменение фаз газораспределения (среди автомехаников данная система получила обиходное наименование «фазовращатель») позволят реализовать оптимальную синхронизацию впуска и выпуска применительно к конкретным условиям работы двигателя на разных режимах.

Работа указанной системы заключается в том, что она контролирует скорость вращения распредвалов ГРМ. Система немного проворачивает распределительный вал в направлении его вращения, позволяя клапанам открываться раньше при необходимости. Это означает, что в современном моторе распредвал больше не вращается с неизменной скоростью относительно коленвала.

Главной задачей становится наиболее эффективное наполнение цилиндров в зависимости от режима работы мотора. Представим машину, которая движется практически по инерции, хотя водитель продолжает слегка нажимать на газ. Система динамично определяет отсутствие нагрузки на двигатель в такие моменты и регулирует фазы газораспределения. Для режима холостого хода потребление топлива должно быть сведено к минимуму, так как подавать рабочую топливно-воздушную смесь в полном объеме не имеет никакого смысла. Система VVT постоянно следит за работой силового агрегата и активно управляет вращением распределительных валов.

Дальнейшее развитие подобных систем привело к появлению решений, в которых отмечено использование кулачков распредвала различной формы. Такая схема позволила ступенчато изменять продолжительность открытия и высоту подъема клапана. Данная система изменения фаз газораспределения является наиболее совершенной и активно развивается сегодня, основываясь на динамичном регулировании высоты подъема впускных клапанов.

Все статьи про ГРМ

Притирка клапанов к ГБЦ

Притирка клапанов своими руками

Практически каждый владелец старенького автомобиля отечественного или иностранного производства предпочитает ремонтировать его своими силами. В…

Регулировка клапанов

Как самому отрегулировать клапана на двигателе

Регулировка клапанов представляет собой выставление необходимого теплового зазора и является обязательной процедурой на моторах без…

Клапан прогорел

Как самому определить, что прогорел клапан ГРМ

Прогар клапана является распространенной проблемой бензиновых и дизельных моторов. Данная неисправность возникает как на относительно…

Направляющие втулки клапанов

Замена направляющих втулок клапанов

Ремонт головки блока цилиндров (ГБЦ) зачастую предполагает необходимость замены направляющих втулок клапанов ГРМ. Для замены…

Датчик положения распредвала ДПРВ

За что отвечает датчик распредвала и его самостоятельная проверка

Датчик положения распределительного вала (ДПРВ) служит для того, чтобы определять угловые положения ГРМ по отношению к…

Гидрокомпенсатор

Для чего нужны гидрокомпенсаторы в двигателе

Прогрев бензинового или дизельного двигателя и последующий выход мотора на рабочие температуры приводит к параллельному…

Изменение фаз газораспределения

Системы управления фазами газораспределения

Эффективность работы любого ДВС, КПД двигателя, показатель мощности, моментная характеристика и топливная экономичность напрямую зависят…