Устройство газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания: назначение, принцип работы

Назначение газораспределительного механизма

Простыми словами, ГРМ необходим для подачи в мотор готовой топливной смеси, а также выпуска в полости цилиндров сгоревшего горючего. Эта функция активна, благодаря клапанам, открывающимся / закрывающимся в конкретный момент времени. На большинстве ДВС используется 4-тактный принцип, обеспечивающий преобразование энергии тепловой в механическую.

 	Весь процесс проходит в цилиндровой группе, где

Весь процесс проходит в цилиндровой группе, где клапаны и поршни синхронно перемещаются в определенной последовательности с соблюдением фаз. При этом в функции ГРМ входит перемещение клапанов во взаимодействии с коленвалом. В зависимости от ситуации происходит открытие / закрытие впускных / выпускных клапанов.

Условно в назначение ГРМ входит обеспечение работы следующих четырех фаз:

  1. Подача горючего. Поршень перемещается от максимально верхней точки вниз, после чего открывается топливный клапан, и в цилиндр подается подготовленное горючее. Форсунка во взаимодействии с ЭБУ выпрыскивает нужный объем воздушно топливной смеси, а клапан перекрывает доступ. При этом коленвал разворачивается на 1800 по отношению к первоначальной позиции.
  2. Сжатие. После максимального снижения поршень начинает перемещаться вверх. Параллельно происходит создание нужной компрессии в цилиндре. При достижении максимального уровня процесс сжатия считается оконченным. При этом коленвал полностью разворачивается вокруг оси.
  3. Рабочий ход. Как только поршень достигает верхнего уровня, срабатывает свеча, а горючее загорается. Возникает давление, которое толкает поршень к нижней позиции. В результате происходит рабочий ход, а сам процесс движения коленвала считается завершенным. В этот момент узел развернулся на 5400.
  4. Вывод отработавших газов. Вместе с вращением коленвала происходи подъем поршня к верхней позиции. При этом газы выдавливаются через своевременно открытый выхлопной клапан. Дальше отработавшие газы выходят через выхлопную трубу. При этом коленвал совершил 720-градусный (двойной) разворот.

Газораспределительный механизм двигателя гаратирует точное и своевременное открытие клапанных узлов впуска / выпуска. При этом ГРМ взаимодействует с коленвалом, а вращение распредвалу передается с помощью цепи, ремня или шестерней. На этом вопросе мы еще остановимся ниже.

Типы газораспределительных механизмов

По типу ГРМ делятся на:

  1. клапанные;
  2. золотниковые.

Золотниковые ГРМ используются в двухтактных моторах. Используются в японских мотоциклах (Ява, Сузуки, Ямаха) и других транспортных средства.

Самые распространенные — это, конечно же, клапанные ГРМ, в конструкции всех четырехтактных ДВС.

Привод ГРМ

Чтобы обеспечить связь между распределительным и коленчатым валом активно используется три основных решения – цепь, ремень, шестерня, либо применяется их комбинация. Других вариантов пока не придумали. Выбор привода зависит от размещения распредвала и коленвала по отношению друг к другу, а также конструкционных особенностей самого силового агрегата. Акцентируем свое внимание на трех основных типах привода, а затем кратко о комбинированных схемах.

Корпус

В этом разделе подведем итог под тем, что отмечено выше. Итак, привод ГРМ внешний, он располагается на блоке цилиндров, прикрывается кожухом. Распредвал находится либо внизу, тогда корпус это блок цилиндров, либо вверху, тогда корпус это либо ГБЦ, которые накрывает клапанная крышка, препятствующая вытеканию моторного масла (традиционная схема), либо отдельный блок (как в ряде современных двигателей). Кстати, клапанной крышке характерны свои поломки, а ее прокладку надо менять всегда когда она снимается. Например, если требуется регулировка температурного зазора, то сняли крышку, отрегулировали, поставили новую прокладку и крышку на место, также и при ремонте, других видах обслуживания.

Далее. Клапанная группа либо в блок-картере (сейчас такой вариант не используется), либо в ГБЦ, тот же вариант что и с распредвалом (наиболее частая схема), а если распредвал в другом месте, то часть клапанной группы наружная, это касается штанг и рокеров (верхнее расположение клапанов и нижнее распредвала).

Из чего состоит газораспределительный механизм

В состав ГРМ входят следующие детали.

Распредвал

Отвечает за очередность впуска и выпуска. Представляет собой длинный вал с шейками и кулачками на поверхности. Кулачки прижимаются к клапану, то перекрывая его, то наоборот – открывая.

Распредвал отливается из чугуна или стали с высокой прецизионностью.

Привод ГРМ

Связующее звено между коленвалом и распредвалом. Конструкция его может быть разной, но состав один. Это набор шестерней, которые крутятся зубчатым ремешком с натяжителями и «башмаками».

Если вас интересует, каким образом согласуется работа валов, то ответ – благодаря приводу.

Клапаны

Располагаются на ГБЦ (головка блока цилиндров). На вид напоминают гвозди: тонкий стержень со шляпкой, который называется «тарелка».

Клапаны делятся на впускные и выпускные:

  1. Впускные отличаются целиком и их конструкция монолитна. Также тарелка чуть большего диаметра, что упрощает процесс поставки топлива.
  2. Выпускные должны выдерживать большие температуры и не деформироваться. Изготавливаются с полым стержнем, как правило, из жаропрочных марок стали. Полость забита легкоплавким натрием, который отводит большую часть тепла.

Для улучшения контакта клапана с ГБЦ, на тарелку нанесено седло – это фаска с обратной стороны.

Также клапанный механизм состоит из:

  1. Пружины. Обеспечивает автоматическое возвращение тарелки на прежнее место.
  2. Маслосъемника. Колпачки, предотвращающие попадания масла в камеру сгорания (жарг. прокладки).
  3. Направляющих. Гильза, благодаря которой клапан двигается четко по оси.
  4. Сухарей. Крепеж пружины к телу клапана.

Толкатели

Промежуточная деталь между клапаном и кулачком распредвала.

Изготавливаются из марок сталей повышенной прочности. Бывают механическими и гидрокомпенсаторными.

Первым необходимо вручную выставлять тепловой зазор. Вторые делают это автоматически.

Коромысло

Двухплечевой рычаг, создающий колебательные движения. Фактически в разных ГРМ они могут выполнять разные функции.

Система смены фазы газораспределения

Есть не во всех автомобилях. Ее задача – контролировать работу открытия/закрытия клапанов по ситуации, т.е. фазы ГРМ.

Классификация или типы ГРМ

Виды ГРМ зависят от типа двигателя. Основное их отличие – это компоновка, поэтому их тоже нужно знать. Всего классификация ГРМ включает 4 класса.

По расположению распределительного вала

Бывает нижним и верхним. Первый тип сейчас практически не встречается, так как удаление газов происходит менее интенсивно, но и свои плюсы у него есть. Например, так лучше согласуется работа ГРМ и коленвала, так как газораспределитель располагается прямо возле него.

При верхнем расположении ГРМ находится прямо у блока ГБЦ. Так работа может осуществляться через толкатели и коромысла. Хоть согласование и надежность соединения ниже, зато конструкция получается более простой, лёгкой и компактной.

По количеству распределительных валов

Устройство газораспределительного механизма может быть с:

  • Одним валом (SOHC). В таком случае единственный распредвал отвечает и за впуск топлива, и за выпуск газов.

  • Двумя валами (DOHC). Один вал отвечает за впуск, другой предназначен для выпуска.

В V-образных движках 4 вала, где каждый отвечает за свой ряд цилиндров.

По количеству клапанов

Всего их может быть от 2 до 16 (чаще всего встречаются двигатели с 4 клапанами). Чем их больше, тем выше мощность и динамические способности мотора.

По типу привода

Схема газораспределительного механизма может включать один из 2,5 типов привода:

  • На шестеренках. Используется только при нижнем расположении ГРМ (т.е. сейчас почти не встречается). Обладает длительным ресурсом и повышенной износостойкостью. Передача происходит через звездочки или шестерки, которые соединены друг с другом.

  • Цепной. В этом случае движущее движение создает цепь, которая фиксируется на шестернях. Она является расходным материалом и должна меняться каждые 200 000 км.

  • Ременной. Устроен аналогично цепи, но не требует смазки. Намного дешевле и проще в эксплуатации, но его полный износ происходит всего за 80 000 км.

С золотниковым управлением газораспределением

Газораспределительный механизм двухтактного двигателя с вращающимся дисковым золотником, установленным в задней части картера, под золотником видно частично открытое впускное окно.
Управление газораспределением поршневым золотником на четырёхтактном двигателе.
Золотниковое газораспределение со вращающимся золотником на четырёхтактном двигателе, каждый золотник обслуживал по два соседних цилиндра (Itala, 1910-е годы).

Принцип работы

Теперь можно рассмотреть и принцип работы устройства ГРМ двигателя. Коленвал приводит в движение распредвал. Его кулачки через толкатели воздействуют на коромысла или рычаги. Они в свою очередь давят на тарелки клапанов с определенным интервалом. Этим и обеспечивается впуск топлива и выход отработанного газа.

Через сколько км нужно менять ремень ГРМ

Причиной остановки работоспособности двигателя может стать обрыв ремня. Поэтому, желательно заблаговременно узнать, на каких двигателях гнет клапана. Положено менять ремень через каждые 60-70 тысяч км. Но, к сожалению, многие водители не успевают заменить ремень газораспределительного механизма. На машинах с 16-ти клапанными двигателями обрыв ремня не нанесет вреда клапанам, а на 8-ми клапанных происходит деформация клапана, который называется «погнуло клапана». Но на 8-ми клапанных двигателях тоже может не сгибать клапана, если двигатель расточен, на поршнях выточены специальные углубления, рассчитанные специально под размер не поднятого клапана.

Комбинированный привод

Есть автопроизводители, которые разрабатывают настолько мудреные схемы, используя несколько типов привода ГРМ одновременно, что порой разобраться трудно и возникает вопрос зачем и с какой целью.

Есть двигатели, у которых привод ГРМ состоит из шестерен и цепи, то есть шестерня коленвала работает в паре с промежуточной шестернью, а она в свою очередь при помощи цепи объединена с шестернью распредвала. Подобных схем десятки, но используются крайне редко и на отдельных ДВС. Доходит до того что используется комбинация ремня и цепи, например, цепь отвечает за связь одного распредвала и коленвала, а ремень обеспечивает связь между двумя распредвалами или наоборот. Порой устанавливается несколько цепей или ремней ГРМ (два-три). Покупая автомобиль поинтересуйтесь не стоит ли на нем двигатель с такими экзотическими схемами привода ГРМ. Обычно они очень сложны в обслуживании, эксплуатации и ремонте, их «очень любят» мотористы. Встречаются такие моторы и у японских, и у корейских автопроизводителей, особенно дизельные.

Шестеренчатый привод

Шестеренчатый привод используется редко, но это тот случай, когда повреждаться практически нечему. На распределительный и коленчатый валы устанавливаются зубчатые шестерни, между ними располагаются промежуточные шестерни, они обеспечивают устойчивую связь между валами, а также приводят в действие различное дополнительное оборудование. Принцип работы как в часовом механизме. Зубья одной шестерни зацепляются непосредственно с зубьями другой и заставляют ее вращаться и так далее по цепочке от шестерни коленвала, до шестерни распредвала.

Это в настоящее время. Еще позволим себе одно маленькое отступление. Все дело в том, что сама актуальность использования привода ГРМ обусловлена тем, что коленвал находится на значительном удалении от распредвала. Если брать классический двигатель (о горизонтально-оппозитных моторах поговорим ниже), с вертикальным расположением цилиндров (под определенным углом), то коленвал находится в блоке цилиндров, внизу, а распредвал вверху, в ГБЦ (есть и другие решения, их еще рассмотрим). Такая схема называется OHC или проще верхневальной. Вот из-за этого и приходится использовать цепной, ременной или шестеренчатый с промежуточными шестернями привод. Но так было не всегда, «до развода и раздела имущества» распредвал и коленвал жили как нормальная семейная пара в блоке цилиндров, рядышком, две шестерни, непосредственная связь между друг другом. Такая схема называется OHV или нижневальной.

То есть шестеренчатый привод использовался изначально, очень надежный, ломаться практически нечему, в верхневальной компоновке появились промежуточные шестерни, но и тут по сравнению с цепным и ременным приводом надежность в разы выше. Недостатки такой схемы, в концепции рабочих параметров современных автомобильных двигателей, свели ее использование на нет. Она все еще встречается. Например, Nissan используют такую схему на силовых агрегатах линейки TD, у Toyota есть свой 3В, а Volkswagen до недавнего времени использовал моторы BLJ, AXE и AXD. То есть единичные случаи, редкие. В такой схеме поломаться могут шестерни, речь об износе и механических повреждениях зубьев, а также дополнительные узлы в зависимости от схемы конструкции, которые гасят крутильные колебания.

Типология

Классификация механизмов газораспределения производится в зависимости от того, каким образом в них осуществляется управление впуском и выпуском. Обычно выделяют четыре типа механизмов управления впуском и выпуском:

  • поршневые;
  • золотниковые;
  • клапанные;
  • гильзовые.

Цепной или ременный привод ГРМ

Плюсы и минусы ремня и цепи противоположные. Цепная передача вращения надежнее, но со временем растягивается и перескакивает на зуб или два шестеренки привода, также, дороже и шумнее. Ременная передача мягче, намного дешевле, бесшумная, но часто приходится менять, а, если вовремя не поменять, то, возможно приведет к замене клапанов. Новые линейки автомобилей сейчас идут, в основном, с ременной передачей.

Классификация ГРМ

При рассмотрении особенностей газораспределительной системы необходимо учитывать, что она может различаться по позиции и числу распредвалов, количеству клапанов и типу приводного механизма (цепь, ремень, шестеренка, комбинированный). Рассмотрим разные варианты подробнее.

По расположению распредвала

Конструктивно распределительный вал может быть расположены в одном из двух мест двигателя:

  • Внизу. Механизм закреплен в блоке цилиндрами возле коленвала. Кулачки воздействуют на толкатели, а далее импульс передается к коромыслам. Для передачи механического момента используются так называемые стержни, объединяющие толкатели в нижней части и коромысла вверху. Нахождение распредвала внизу является редким случаем, но у него есть преимущество в большей надежности соединения. В новых ДВС такой вариант не используется.
  • Вверху. Наиболее распространенное решение, при котором распредвал расположен в ГБЦ на клапанной частью. В такой позиции можно реализовать разные способы воздействия на клапанную часть: с применением рычажного механизма, с использованием коромысел или толкателей. Верхнее расположение отличается простотой, надежностью и небольшими размерами.

По числу распредвалов: DOHS и SOHS

На современных моторах может устанавливаться один или два распредвала. В первом случае система называется SOHC (одиночный верхний распредвал) или DOHS (двойной верхний распредвал). Как видно, в обоих случаях механизм имеет верхнее расположение.

При использовании двойного варианта каждый из валов имеет индивидуальную функцию. Первый несет ответственность за открытие, а второй — за закрытие клапанного механизма. В V-образных моторах может применяется целых четыре распределительных вала. Они работают попарно на обе группы цилиндров.

По числу клапанов

Ключевым фактором является количество применяемых клапанов, ведь от этого зависит вид распредвала и число кулачков. По количеству клапанов на один цилиндр может быть от двух до пяти. Кратко рассмотрим основные варианты по количеству клапанов:

  • Два: впуск, выпуск.
  • Три: 2 впуск, 1 выпуск.
  • Четыре: по 2 на впуск / выпуск.
  • Пять: 3 впуск, 2 выпуск.

Чем выше число клапанов на впускной системе, тем больше объем горючего поступает в мотор.

Как результат, увеличивается мощность и динамика мотора. Сразу отметим, что больше пяти клапанов установить невозможно из-за особенностей распределительного вала и других механизмов мотора. Чаще всего система ограничивается четырьмя элементами.

По типу привода

При анализе газораспределительного механизма необходимо учитывать и типы привода. Здесь возможно четыре варианта.

Цепной

Наиболее надежным вариантом является цепь ГРМ. В таком случае на распределительном и коленчатом валах монтируются звездочки (шестерни с зубцами). Они объединяются с помощью специальной цепочки, а сверху система закрывается специальным корпусом. При вращении коленвала звездочка тянет цепь, которая, в свою очередь, вращается шестеренку распредвала.

Конструктивно цепи отличаются по типу или числу рядов. В первом случае они делятся на зубчатые, роликовые и втулочные, а втором бывают от двух-четырех рядными. При наличии нескольких распредвалов может применяться соответствующее количество цепей.

Средний ресурс такого механизма — 170-200 тыс. километров. Чаще всего повреждаются шестерни или дополнительные узлы (натяжители, успокоители). В результате цепочка перескакивает на другие участки, что приводит к нарушению работы ГРМ и повреждению клапанов. В случае поломки может потребоваться замена цепи и вспомогательных механизмов.

Ременной

Второй по популярности —ремень ГРМ. В отличие от рассмотренного выше варианта здесь на валах установлены шкивы или зубчатые шестеренки. Сверху этих узлов натягивается ременной соединитель, обеспечивающий передачу вращения. Ремень может быть клиновым (зубчатым) и поликлиновым. В первом случае на валах монтируются шестерни с зубцами.

Дополнительно в ременном приводе предусмотрено несколько видов роликов (натягивающие, опорные). Первые обеспечивают нужное натяжение ремня, а вторые играют роль опоры и защищают от соскальзывания.

Повреждение ремня или дополнительных элементов ведет к неправильной работе ГРМ и чаще всего к повреждению мотора. Хуже всего, если происходит разрыв ременной передачи. Результатом является удар клапанов и поршней с повреждением механизма. 

Шестеренчатый

Такой вариант привода применяется в редких случаях. Конструктивно он подразумевает наличие шестеренок на коленвал и распредвал, которые объединяются друг с другом не с помощью ремня / цепи, а с применением других шестеренок. По сути, повторяется принцип работы часов, когда момент передается с помощью зацепления зубцов разных звездочек.

Редкость применения такого привода объясняется тем, что распределительный и коленчатые валы находятся сверху и снизу соответственно на большом расстоянии. Вот почему приходится использовать ремень или цепь. Если же оба механизма находятся внизу, применение шестеренчатого принципа вполне реально. При этом он надежен, но имеет большую сложность. Встречается у Ниссанов на моторах AXD, AXE или BLJ. Наиболее слабым местом являются зубцы звездочек, которые могут поломаться.

Смешанный

Некоторые производители применяют смешанный вариант, когда используются шестеренчатый и цепной приводы.

Таких схем много, но применяются они в редких случаях. Иногда даже используется цепь и ремень одновременно. Вариантов десятки, поэтому при покупке машины необходимо поинтересоваться, какой именно предусмотрен в вашем случае. Чаще всего сложные моторы встречаются в японских или корейских ДВС.