Газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания¶
Газораспределительный механизм (ГРМ) — механизм двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающий своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов для наполнения цилиндров свежей рабочей смесью (или воздухом) и выпуска отработавших газов. ГРМ синхронизирует газообмен с движением поршня и коленчатого вала, что определяет мощностные, экономические и экологические показатели двигателя.
¶Основные элементы
В состав газораспределительного механизма входят:
- Клапаны — впускные и выпускные, перекрывающие отверстия впускного и выпускного каналов в головке блока цилиндров. Выпускные клапаны работают в более тяжёлых температурных условиях (до 700–800 °C) и изготавливаются из жаропрочных сплавов.
- Клапанные пружины — возвращают клапан в закрытое положение и гасят его колебания.
- Распределительный вал (валы) — с кулачками, придающими клапанам требуемый профиль движения. Располагается в головке блока цилиндров (верхнее расположение) или в блоке цилиндров (нижнее расположение, в настоящее время практически не применяется).
- Привод распределительного вала — цепной, зубчатый ременной или зубчато-шестерённый, связывает распределительный вал с коленчатым валом.
- Толкатели, штоки, коромысла — элементы, передающие усилие от кулачка к клапану (состав и конфигурация зависят от типа ГРМ).
- Седла клапанов — направляющие втулки и сёдла, обеспечивающие уплотнение и направление движения клапана.
¶Принцип работы
Привод распределительного вала обеспечивает вращение вала с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала (для четырёхтактного двигателя). Кулачки распределительного вала, набегая на толкатели (или коромысла), преобразуют вращательное движение вала в возвратно-поступательное движение клапанов. Профиль кулачка определяет момент открытия клапана, высоту подъёма и продолжительность открытия.
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя включает такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. На такте впуска открыт впускной клапан, на такте выпуска — выпускной. Между тактами клапаны закрыты. ГРМ обеспечивает перекрытие клапанов — кратковременное одновременное открытие впускного и выпускного клапанов, улучшающее наполнение цилиндра.
¶Виды ГРМ по расположению распределительного вала
| Тип | Расположение | Особенности |
|---|---|---|
| OHV (Pushrod) | В блоке цилиндров | Привод клапанов через толкатели и коромысла; компактная головка, но ограничения по частоте вращения |
| OHC (SOHC) | Один распредвал в ГБЦ | Привод через толкатели-кулачки или рычаги; упрощённая конструкция |
| DOHC (двухвальный) | Два распредвала в ГБЦ | Раздельный привод впускных и выпускных клапанов; точное управление фазами, возможность применения четырёх клапанов на цилиндр |
В современных автомобильных двигателях наиболее распространена схема DOHC с четырёхклапанной конструкцией головки (два впускных и два выпускных клапана на цилиндр).
¶Привод распределительного вала
¶Цепной привод
Цепь, как правило, не требует периодической замены при нормальных условиях эксплуатации, обладает ресурсом, сопоставимым с ресурсом двигателя. Недостатки — шум, масса, необходимость натяжителя и успокоителя.
¶Ременной привод
Зубчатый ремень имеет ограниченный ресурс (как правило, 60 000–120 000 км пробега) и требует своевременной замены. При обрыве ремня на двигателях с интерференс-схемой (клапаны и поршни пересекают рабочие объёмы) возможен контакт клапанов с поршнями и серьёзное повреждение двигателя. Преимущества — бесшумность, малая масса, отсутствие необходимости в смазке.
¶Зубчато-шестерённый привод
Применяется преимущественно в дизельных двигателях и на крупногабаритной технике. Обеспечивает точную синхронизацию, но создаёт шум и требует точного изготовления деталей.
¶Управление фазами газораспределения
Статические фазы газораспределения задаются профилем кулачков распределительного вала. Для расширения рабочего диапазона мощности и снижения токсичности применяются системы изменения фаз газораспределения (VVT). Принцип работы систем основан на повороте распределительного вала относительно приводной шестерни с помощью гидравлического или электромеханического привода.
Наиболее известные системы:
- VANOS (BMW) — изменение фаз для впускного или впускного и выпускного валов.
- VVT-i (Toyota) — гидравлическая система изменения фаз.
- MIVEC (Mitsubishi) — система с переключением профиля кулачков на разных режимах.
- VTEC (Honda) — аналогичная система с тремя кулачками на клапан.
- CVTCS (Nissan), DCVCP (PSA) и другие.
В российском автомобилестроении системы изменения фаз газораспределения применяются, например, в двигателях ВАЗ-21126 и модификациях моторов «АвтоВАЗа», оснащённых системой VVT (типа «Фазорегулятор»).
¶Обслуживание и неисправности
Основные признаки неисправностей ГРМ — неустойчивая работа двигателя, снижение мощности, повышенный расход топлива, стук в приводе, сложности с запуском. К характерным неисправностям относятся:
- Износ кулачков распределительного вала и толкателей.
- Поломка клапанных пружин.
- Износ направляющих втулок клапанов (сопровождается повышенным расходом масла).
- Обрыв цепи или ремня привода распределительного вала.
- Нарушение тепловых зазоров клапанов (в двигателях без гидрокомпенсаторов).
Двигатели с гидравлическими компенсаторами зазоров (гидротолкателями) не требуют регулировки клапанов в процессе эксплуатации. В двигателях без гидрокомпенсаторов периодически выполняется регулировка тепловых зазоров клапанов с помощью шайб или коромысел.
¶Система газораспределения гибридных и альтернативных двигателей
В ряде современных конструкций применяются электрические приводы клапанов (каменс-системы, электромагнитные клапаны), позволяющие полностью отказаться от распределительного вала и обеспечивать независимое управление каждым клапаном. Такие системы находятся на стадии внедрения и применяются ограниченно.
Источники:
- Кленов В. И., Скоков В. Н. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
- Вахламов В. К. «Конструкция и расчёт автомобильных транспортных средств»
- Ходасевич А. Г., Касперов А. Н. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
- Автомобильные двигатели: учебные пособия под редакцией А. С. Орлика, В. Ф. Столярова