Газораспределительный механизм (ГРМ)

4.5.1 Газораспределительный механизм

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.

4.5.2 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.

4.5.3 Тепловой зазор

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.

4.5.4 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.

4.5.5 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.

4.5.5.a Впускной клапан

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.

4.5.5.b Выпускной клапан

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.

4.5.6 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.

4.5.6.a Обороты холостого хода

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.

4.5.6.b Опережение зажигания

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 «Электрооборудование и электросистемы», раздел «Система зажигания»).

4.5.6.c Суть системы

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.

4.5.7 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.

4.5.8 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 4.14.

4.5.8.a Клапан

Клапан служит для закрытия и открытия впускных или выпускных каналов в головке блока цилиндров. Основными элементами клапана являются тарелка и стержень.

Рисунок 4.13 Клапан.

4.5.8.b Тарелка клапана

Тарелка клапана имеет шлифованную конусную рабочую поверхность — фаску (обычно под углом 45°), которой клапан плотно притерт к седлу.

4.5.8.c Стержень клапана

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 4.14 Клапанный механизм.

4.5.8.d Направляющая втулка

Направляющая втулка, в которой клапан устанавливается стержнем, обеспечивает точную посадку клапана в седло. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.

4.5.8.e Клапанная пружина

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.

4.5.8.f Толкатель

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.

4.5.8.g Коромысло

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.

4.5.9 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.

4.5.9.a Кулачки

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.

4.5.10 Как распредвал приводится во вращение?

Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом разными способами. Наиболее распространены цепной и поясной приводы, реже используется шестеренный или комбинированный.

4.5.10.a Цепной привод

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.

4.5.10.b Ременной привод

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.

4.5.10.c Шестеренный привод

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.

4.5.11 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.

4.5.11.a Крейсерская скорость

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.

4.5.11.b Кулачки с «нулевой высотой»

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.