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.