Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (сокращённо ГРМ) — это совокупность деталей и узлов двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающая своевременную подачу топливовоздушной смеси (или воздуха) в цилиндры и выпуск отработавших газов в соответствии с порядком работы цилиндров и фазами газораспределения. ГРМ является одним из ключевых механизмов, определяющих мощность, экономичность, экологичность и ресурс двигателя.

История развития

Первые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), созданные в конце XIX века, имели примитивные системы газораспределения. В двигателе Ленуара (1860 год) газораспределение осуществлялось с помощью золотникового механизма, который был ненадёжен и неэффективен. Николаус Отто в 1876 году применил в своём четырёхтактном двигателе клапанный механизм с тарельчатыми клапанами, управляемыми кулачковым валом. Эта конструкция, с многочисленными усовершенствованиями, стала основой для подавляющего большинства современных ДВС.

В начале XX века, с ростом частоты вращения коленчатого вала, возникла проблема инерции клапанов, что приводило к потере герметичности. Для её решения были разработаны пружины с большим усилием и более лёгкие клапаны. В 1910-х годах появились верхнеклапанные схемы (OHV), где клапаны располагались в головке блока цилиндров, что улучшило форму камеры сгорания и наполнение цилиндров. В 1920-х годах началось применение верхних распредвалов (OHC), сначала на гоночных, а затем и на серийных автомобилях.

Ключевым этапом стало внедрение в 1980-х годах многоточечного впрыска топлива и электронных систем управления двигателем, которые потребовали точного управления фазами газораспределения. В 1990-х годах появились системы изменения фаз газораспределения (например, VVT-i от Toyota, VANOS от BMW), позволяющие оптимизировать работу двигателя в разных режимах. В XXI веке получили распространение системы подъёма клапанов (например, Valvetronic от BMW) и полностью бесдроссельные системы впуска.

Классификация газораспределительных механизмов

ГРМ классифицируются по нескольким основным признакам.

По расположению клапанов

• Нижнеклапанная схема (SV, Side Valve). Клапаны расположены в блоке цилиндров, сбоку от поршня. Кулачки распредвала воздействуют на клапаны напрямую или через толкатели. Устаревшая схема, применявшаяся на двигателях первой половины XX века (например, Ford Model T, ЗИС-5). Отличается простотой, но имеет плохую форму камеры сгорания и низкую степень сжатия.
• Верхнеклапанная схема (OHV, OverHead Valve). Клапаны расположены в головке блока цилиндров, а распредвал — в блоке. Привод клапанов осуществляется через толкатели, штанги и коромысла. Широко применялась на американских V8 (Chevrolet Small Block) и советских двигателях (ЗМЗ-24Д, ВАЗ-2101). Обеспечивает компактность, но ограничивает максимальные обороты из-за высокой инерции деталей.
• Верхнеклапанная с верхним распредвалом (OHC, OverHead Camshaft). Распредвал расположен в головке блока цилиндров, воздействуя на клапаны напрямую или через коромысла. Наиболее распространённая схема в современных двигателях. Обеспечивает высокую жёсткость привода и возможность работы на высоких оборотах.
• Двухвальная схема (DOHC, Double OverHead Camshaft). В головке блока установлены два распредвала — один для впускных, другой для выпускных клапанов. Обеспечивает наилучшую форму камеры сгорания и возможность индивидуальной настройки фаз газораспределения. Используется на большинстве современных бензиновых и дизельных двигателей.

По типу привода распредвала

• Ремённый привод. Использует зубчатый ремень из армированной резины. Тихий, лёгкий, не требует смазки. Требует периодической замены (каждые 60-120 тыс. км), при обрыве часто приводит к встрече клапанов с поршнями.
• Цепной привод. Использует роликовую или пластинчатую цепь. Более прочный и долговечный, но шумный и требующий смазки. В современных двигателях ресурс цепи может достигать 200-300 тыс. км, однако она может растягиваться.
• Шестерёнчатый привод. Использует прямозубые или косозубые шестерни. Надёжный, точный, но тяжёлый и шумный. Применяется в основном на дизельных двигателях грузовых автомобилей и тракторов (например, КамАЗ-740).

По количеству клапанов на цилиндр

• Двухклапанные (один впускной, один выпускной). Простая конструкция, характерна для старых двигателей.
• Трёхклапанные (два впускных, один выпускной). Позволяют улучшить наполнение цилиндров.
• Четырёхклапанные (два впускных, два выпускных). Наиболее распространённая современная схема. Обеспечивает высокую мощность и экономичность.
• Пятиклапанные (три впускных, два выпускных). Применялись на некоторых двигателях Audi и Ferrari для улучшения газодинамики.

Устройство и основные элементы

Основными элементами ГРМ являются:

• Распределительный вал (распредвал). Вал с кулачками, профиль которых определяет момент открытия и закрытия клапанов, а также их подъём. Изготавливается из чугуна или стали.
• Клапаны. Тарельчатые детали, открывающие и закрывающие впускные и выпускные каналы. Изготавливаются из жаропрочных сталей. Впускные клапаны обычно большего диаметра, чем выпускные.
• Клапанные пружины. Обеспечивают возврат клапана в седло и его герметичное закрытие. Могут быть одинарными, двойными или с переменным шагом витка.
• Направляющие втулки клапанов. Обеспечивают точное направление движения клапана.
• Сёдла клапанов. Вставные кольца из износостойкого материала, обеспечивающие герметичное прилегание тарелки клапана.
• Толкатели. Передают усилие от кулачка распредвала к клапану (в схеме OHV) или к штанге.
• Коромысла. Рычаги, передающие усилие от штанги или кулачка к клапану (в схемах OHV и некоторых OHC).
• Гидрокомпенсаторы. Автоматически регулируют тепловой зазор в клапанном механизме, компенсируя износ деталей. Используют масло под давлением.

Принцип работы

В четырёхтактном двигателе ГРМ работает в соответствии с тактами:

1. Такт впуска. Поршень движется вниз. Впускной клапан открыт, выпускной закрыт. В цилиндр поступает топливовоздушная смесь.
2. Такт сжатия. Поршень движется вверх. Оба клапана закрыты. Смесь сжимается.
3. Такт рабочего хода. Смесь воспламеняется (в бензиновом двигателе от искры, в дизельном — от сжатия). Поршень движется вниз. Оба клапана закрыты.
4. Такт выпуска. Поршень движется вверх. Выпускной клапан открыт, впускной закрыт. Отработавшие газы выталкиваются в выпускной коллектор.

За один полный цикл (два оборота коленчатого вала) распределительный вал делает один оборот. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала, называются фазами газораспределения. Для улучшения наполнения цилиндров на высоких оборотах фазы делают «перекрывающимися» — впускной клапан открывается до закрытия выпускного.

Современные системы управления

Для оптимизации работы двигателя в разных режимах применяются системы изменения фаз газораспределения и подъёма клапанов.

• Системы изменения фаз (VVT, Variable Valve Timing). Позволяют смещать момент открытия клапанов относительно положения коленчатого вала. Обычно реализуются с помощью гидравлических муфт на распредвалах. Примеры: VVT-i (Toyota), VANOS (BMW), CVVT (Hyundai).
• Системы изменения подъёма клапанов (VVL, Variable Valve Lift). Позволяют изменять высоту подъёма клапана, что влияет на количество поступающего воздуха. Примеры: VTEC (Honda), Valvetronic (BMW), MultiAir (Fiat).
• Бесдроссельный впуск. В системах Valvetronic и MultiAir регулировка мощности осуществляется не дроссельной заслонкой, а изменением подъёма впускных клапанов, что снижает насосные потери и повышает экономичность.

Неисправности и обслуживание

Основные неисправности ГРМ:

• Растяжение или обрыв ремня/цепи. Приводит к нарушению синхронизации, в большинстве двигателей — к встрече клапанов с поршнями и их деформации.
• Износ кулачков распредвала. Проявляется в виде стука, падения мощности.
• Прогар клапанов. Возникает из-за нарушения теплового зазора или неправильной регулировки фаз.
• Закоксовывание клапанов. Отложения нагара на тарелках и штоках, приводящие к потере герметичности.
• Неисправность гидрокомпенсаторов. Проявляется стуком при холодном пуске.

Регламентное обслуживание включает замену ремня ГРМ (каждые 60-120 тыс. км), проверку и регулировку тепловых зазоров (для двигателей без гидрокомпенсаторов), а также замену масла и фильтров.

Интересные факты

• В двигателях некоторых гоночных автомобилей (например, Formula 1) используются пневматические пружины клапанов, обеспечивающие работу на оборотах до 20 000 об/мин.
• В двигателях с десмодромным приводом (Ducati) клапаны закрываются не пружинами, а вторым кулачком, что позволяет избежать инерционных потерь.
• Первый двигатель с четырьмя клапанами на цилиндр был построен в 1912 году компанией Peugeot.
• В некоторых двигателях (например, в старых дизелях) применяется декомпрессионный механизм, который принудительно открывает клапаны для облегчения пуска.

Источники

• Двигатели внутреннего сгорания. Теория и конструкция. Под ред. В. Н. Луканина. — М.: Высшая школа, 2005.
• Б. С. Стефановский. Испытания двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1972.
• А. А. Фролов. Конструкция и расчёт автомобильных двигателей. — М.: МАДИ, 2018.
• Техническая документация производителей (Bosch, Delphi, Toyota, BMW).