ГРМ двигателя автомобиля

Главная  /  Учебник по устройству автомобиля  /  Глава 4. Двигатель » Подраздел 4.5 Газораспределительный механизм (ГРМ)

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.

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.

 О тепловом зазоре

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.

 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 10 «Электрооборудование и электросистемы», раздел 10. 4 «Система зажигания»).

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.

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.

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 4.13.

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

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

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 4.13 Клапанный механизм.

Седло клапана (на рисунке 4.13) представляет собой металлическое кольцо цилиндрической формы с обработанной под углом 45 градусов рабочей поверхностью (той самой, к которой прилегает тарелка клапана). Седла клапанов запрессованы в головку блока цилиндров. Существуют конструкции с заменяемыми седлами и с седлами, запрессованными наглухо.

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

Рисунок 4.14 Клапан.

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.

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.

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.

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.

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.

 Как распредвал приводится во вращение?

Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала разными способами. Самыми распространенными являются: цепной и ременной привод, реже используется шестеренный.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.
comments powered by Disqus

Газораспределительный механизм: устройство, типы, виды неисправностей

Алина Деева

разобралась, как работает ГРМ

Профиль автора

Большинство водителей знают, что ремень ГРМ может порваться, а цепь — растянуться и проскочить.

Чтобы понять, как этого избежать, важно разобраться, что такое газораспределительный механизм и как он работает.

Внутри двигателя внутреннего сгорания — ДВС — горит топливовоздушная смесь: поступает в цилиндры, поршни сжимают смесь, она взрывается. Образуется давление газа, которое толкает поршни. А за наполнение цилиндров рабочей смесью и выпуск отработанных газов отвечает газораспределительный механизм — ГРМ. Он открывает и закрывает впускные и выпускные клапаны в соответствии с тактами работы двигателя.

Разберемся, что такое ГРМ, почему он так важен и какие с ним могут случиться проблемы кроме порвавшегося ремня или растянутой цепи.

Как устроен ГРМ

Объяснить простыми словами, как устроен и работает ГРМ, будет сложно — проще посмотреть видео. Но мы все же попытаемся.

ГРМ состоит из распредвала или распредвалов, цепного или ременного привода, впускных и выпускных клапанов, толкателей, гидрокомпенсаторов или регулировочных шайб и коромысла. Бывают ГРМ с системами изменения фаз газораспределения — в таких есть фазовращатели.

Распределительный вал вращается, открывает и закрывает клапаны: в одни поступает топливовоздушная смесь, в другие выходят отработавшие газы. Все происходит в определенной последовательности и с определенной частотой. Вал вращается, открывает и закрывает клапаны с помощью кулачков — специальных участков асимметричной формы.

Геометрия и степень износа кулачков влияют на длительность и степень открытия клапанов, а значит, и на работу двигателя в целом. Распредвал фиксируется подшипниками и фланцем.

6 способов сломать двигатель автомобиля

ГРМ может быть с одним или с двумя валами, но в большинстве современных двигателей два распредвала в головке блока цилиндров.

Шестерня распредвала располагается с торца, соединяется ремнем или цепью с шестерней на передней части коленвала — от нее и передается вращение.

Головка блока цилиндров двигателя Фольксваген 1,6 л CFNA с двумя распредвалами. Асимметричные утолщения на валах — кулачки. Их столько же, сколько клапанов. Фото: Алексей Федоров Тот же двигатель, шестерни распредвалов. Фото: Алексей Федоров

Коленвал через шатуны получает механическую энергию от цилиндро-поршневой группы и отдает крутящий момент на трансмиссию и далее на колеса. Одновременно с этим коленвал приводит в движение распредвал. У коленвала сложная изогнутая форма.

Башмак нужен в ГРМ с цепным приводом, чтобы цепь не провисала. Он прилегает к самой цепи, на него давит гидронатяжитель.

Успокоитель прилегает к цепи и гасит остаточные колебания.

Натяжной ролик в ГРМ с ременным приводом отвечает за постоянное и равномерное натяжение ремня.

Передняя часть коленвала — сразу за болтом и звездочкой в центре фото. Оранжевые пластмасски — успокоители. Черная слева сверху — башмак. Мотор — 1,8 TSI, CFNA, в нем три цепи. Первую сняли, она лежит снизу — цепь привода масляного насоса. Вторая — та, что сейчас прижата башмаком и стоит ближе всех, — цепь ГРМ. Под ней третья — цепь привода балансирных валов. Фото: Алексей Федоров Натяжной ролик ремня ГРМ двигателя Фольксваген 1,6 л BSE. Фото: Алексей Федоров

Клапаны, с которыми взаимодействуют кулачки распредвала, бывают впускные и выпускные. Это стержни с плоской тарелкой на конце.

Впускные клапаны цельные и с тарелкой большего диаметра. Когда они открываются, топливная смесь попадает в цилиндры двигателя. У выпускных клапанов внутри полый стержень с натриевым наполнителем. Благодаря такому решению клапан лучше охлаждается, ведь он отвечает за выпуск отработанных газов и работает при более высоких температурах.

В современных двигателях клапаны устанавливают в головке блока цилиндров — ГБЦ. Их обычно по два или четыре на цилиндр. Место контакта клапана и ГБЦ называют седлом.

Клапаны впуска и выпуска: у них есть стержень с фаской в верхней части и тарелка. У впускного клапана тарелка большего диаметра — это обеспечивает максимальное наполнение цилиндра топливной смесью. Фото: Kudrin Ilia / Shutterstock

Кроме самих клапанов в механизме есть:

1. Пружины — возвращают клапаны в исходное положение после открытия.
2. Маслосъемные колпачки — препятствуют попаданию масла в камеру сгорания.
3. Направляющие втулки — установлены в корпусе ГБЦ и определяют направление движения клапанов.
4. «Сухари» и «тарелки» удерживают пружину на стержне клапана.

Распредвал передает усилие на клапаны через толкатели. Они обычно стальные и могут быть механическими, роликовыми, бывают и гидротолкатели. Толкатель двигается линейно — внутри корпуса или по направляющей — и передает усилие на коромысло.

/guide/motor-oil/

Моторное масло: из чего состоит и как его правильно выбирать

Рокер, или коромысло, доводит усилие до самого клапана. Это рычаг с двумя плечами разной длины: более короткое получает усилие от толкателя, длинное давит на стержень клапана.

Клапанный механизм двигателя с двумя распредвалами. Один вал открывает и закрывает впускные клапаны, второй — выпускные. Фото: patruflo / Shutterstock

Детали ГРМ двигателя расширяются и сужаются под воздействием температуры. Чтобы это не влияло на работу ДВС, важно поддерживать тепловой зазор между клапанами и кулачками распредвала. В ГРМ с механическими толкателями зазор выставляют и регулируют вручную.

Гидрокомпенсаторы поддерживают зазор автоматически. Если совсем просто, это стальной корпус с полостью для масла и плунжерной парой внутри. Плунжерная пара состоит из металлического цилиндра — плунжера — и втулки, в которой он двигается. Плунжер ходит вверх-вниз под действием толкателя и компенсирует изменения теплового зазора.

Гидрокомпенсатор можно установить в любую часть привода клапанов — хоть в толкатель, хоть в рокер. В современных ДВС чаще встречаются гидрокомпенсаторы в толкателях — тогда кулачки распредвала давят на него напрямую, без помощи рокера.

Системы изменения фаз газораспределения устанавливают в газораспределительный механизм дополнительно. Они регулируют параметры ГРМ в зависимости от режима работы двигателя. Вот какие параметры ГРМ можно регулировать:

1. Моменты, в которые клапаны открываются и закрываются.
2. Время, на которое клапаны открываются.
3. Высоту, на которую клапаны поднимаются

ГРМ без системы изменения фаз может обеспечить работу ДВС только с одним набором параметров. Но двигателю на холостом ходу и двигателю на высоких оборотах требуются разные уровни очистки от отработанных газов и разная мощность.

/guide/wheel-drive/

Какой привод выбрать: RWD, FWD, 4WD или AWD

Вот что можно сделать, чтобы системы изменения фаз подстраивали параметры ГРМ под разные режимы работы двигателя:

1. Регулировать движение распредвала с помощью гидроуправляемой муфты.
2. Применять кулачки различной формы.
3. Регулировать высоту подъема клапана с помощью эксцентрикового вала и промежуточного рычага.

Как работает ГРМ

Газораспределительный механизм действует синхронно с тактами работы двигателя. У современных автомобилей четырехтактные ДВС, а значит, четыре фазы работы. Опишем процесс на примере бензинового двигателя:

1. На такте впуска распредвал через цепной или ременной привод начинает вращаться от вращения коленвала. Кулачки распредвала набегают на толкатели, которые передают движение коромыслу. Длинное плечо коромысла опускается вниз и надавливает на стержень клапана впуска. Клапан сжимает пружину, открывается и впускает топливную смесь.
2. На такте сжатия кулачок распредвала сходит с толкателя, клапан впуска под действием пружины садится на место. Клапан выпуска остается закрытым. Рабочая смесь сжимается внутри цилиндра.
3. Во время рабочего такта двигателя все клапаны закрыты. Срабатывает свеча зажигания, сгорает топливовоздушная смесь.
4. На такте выпуска кулачки распредвала снова надавливают на толкатели, а те передают движение на коромысло, которое открывает клапаны выпуска. Отработанные газы выходят в выпускной коллектор.

При переходе от такта выпуска к такту впуска впускные и выпускные клапаны открыты одновременно: так цилиндр лучше очищается от отработанных газов. Моменты и продолжительность открытия и закрытия клапанов подбираются для каждого типа двигателя.

/osmotr-avto/

Как осмотреть автомобиль с пробегом

Типы ГРМ в зависимости от управления впуском и выпуском

ГРМ различаются по количеству распредвалов, по их положению, по числу клапанов и так далее.

В зависимости от механизма впуска и выпуска топлива ГРМ могут быть поршневые, золотниковые, гильзовые и клапанные:

1. В поршневых ГРМ впуск и выпуск производит сам поршень, который открывает и закрывает окна в стенке цилиндра. Это двухтактные ДВС, у них нет ГРМ как такового — просто окна в стенках цилиндра.
2. В золотниковых ГРМ открытием окон впуска и выпуска управляет золотниковый клапан. Он вращается вокруг неподвижной оси внутри цилиндрической втулки.
3. У гильзовых ГРМ в цилиндре двигателя две гильзы, одна внутри другой. Они двигаются в противоположных направлениях, а впуск и выпуск происходят, когда совпадают окна цилиндра и гильзы.
4. В клапанных ГРМ за впуск и выпуск отвечают тарельчатые клапаны. Они открываются и закрываются под действием кулачков распредвала.

В ДВС легковых автомобилей используют только клапанное управление газораспределением. Клапанный механизм может различаться по расположению распредвала. Раньше были широко распространены двигатели с нижневальной компоновкой — в блоке цилиндров. Но в современных ДВС вал устанавливают сверху, в головке блока цилиндров.

/guide/china-auto/

Что нужно знать о китайских машинах

Есть два вида верхневальных ГРМ по количеству распредвалов, клапанов на цилиндр и по типу привода.

ГРМ с распредвалом в блоке цилиндров. Нижнеклапанные двигатели с валом в блоке цилиндров компактные и экономичные. Их нет в легковых автомобилях с середины 1990-х.

Верхнеклапанные двигатели с распредвалом в блоке цилиндров послужили переходом к верхневальным ДВС, но двигатель V8 до сих пор производят с такой компоновкой. Его ставят на машины «Дженерал-моторс», например на Джип Ранглер 2020 года.

ГРМ с распредвалом в головке блока цилиндров. Клапаны впуска и выпуска приводит в движение один распредвал в головке блока. В одном двигателе могут сочетаться разные механизмы воздействия на клапаны: например, коромысла для клапанов впуска и толкатели для выпуска. Система single overhead camshaft — SOHC — в современных ДВС встречается редко, но один распредвал у двигателей на автомобилях платформы B0: например, Рено Логан, Лада Гранта и Ниссан Альмера.

У ГРМ с двумя распредвалами — double overhead camshaft, или DOHC, — один открывает и закрывает клапаны впуска, другой — клапаны выпуска. У современных автомобилей обычно по четыре клапана на цилиндр, их приводят в движение толкатели. Схема DOHC сегодня самая распространенная в производстве двигателей для легковых авто.

/list/avtonovinki-zima-2022/

6 автомобилей, которые вышли на российский рынок зимой 2022

Типы ГРМ в зависимости от привода

Привод бывает ременной, цепной и зубчатый, или шестеренчатый, — в зависимости от того, что именно связывает коленвал и распредвал. В современных ДВС не бывает зубчатого ГРМ.

В ременном приводе ГРМ вращение от коленвала передает зубчатый ремень, который вынесен за картер ДВС. Он не требует дополнительной смазки и снижает уровень шума. Обслуживать такой привод относительно недорого и несложно.

Ресурс ремня сравнительно невелик — 60 000—70 000 км. Но, например, на Ауди А4 четвертого поколения, которые выпускались в 2007—2013 годах, производитель рекомендует менять ремень каждые 150 000 км пробега. На Ауди А6 с двигателем 2.0 TD CAGB ремень может пройти более 200 000 км — как хорошая массивная цепь.

Обрыв ремня у 16-клапанного ДВС может привести к загибу клапанов и серьезным повреждениям самого двигателя — восстановление обойдется дорого. У одновальных ДВС поршень цилиндра не достает до клапанов даже в самом верхнем положении — если ремень внезапно порвется, велика вероятность, что машина просто заглохнет и больше не запустится. Например, так у большинства 8-клапанных двигателей для Лад.

С ременным приводом можно купить автомобиль любого размера: какую угодно Гранту, Поло 2015 года выпуска и моложе, все поколения Логана, новый Ленд Ровер Дискавери с дизельным двигателем 3.0 и старые авто бизнес-класса. Ремни ГРМ на БМВ и Мерседесах по надежности не уступают массивной долговечной цепи, но встречаются только на старых машинах, которые не выпускают с середины 1990-х.

/audi-80-cheap-restore/

Как я бюджетно привела в порядок 30-летнюю Ауди 80

Цепной привод ГРМ. Механизм приводит в движение цепь, которую устанавливают в корпусе двигателя. Цепному приводу необходима смазка и дополнительные детали вроде башмака и успокоителя.

Обычно срок службы цепи — 150 000—200 000 км, поэтому менять ее нужно реже, чем ремень, но стоит она прилично дороже. У некоторых современных двигателей ресурс цепи почти как у ремня — около 100 000 км. Например, у Тигуана предпоследнего поколения с двигателем 1,4 л или у Октавии с 1,8 л. Необходимость соответствовать жестким экологическим требованиям вынуждает автопроизводителей уменьшать вес авто и узел ГРМ в том числе.

В отличие от ремня, который может внезапно оборваться, цепь со временем растягивается и может перескочить на один, два и более зубьев. Фазы распределения ГРМ сместятся, появятся проблемы в работе двигателя. Это не так страшно и дорого, как если бы загнуло клапаны, хотя бывают и тяжелые случаи.

Например, если на цепных двигателях концерна VAG 1,2 и 1,4 л проскочит цепь, придется ремонтировать головку блока цилиндров и менять клапаны. А если все пойдет совсем плохо и клапан повредит стенки цилиндра, придется менять двигатель целиком.

В основном цепной привод устанавливают в двигатели легковых автомобилей бизнес-класса и внедорожники. У концернов «Мерседес» и БМВ комплектация с цепью ГРМ есть практически у всего модельного ряда. «Тойота» ставит цепной привод на Хайлюкс и Ленд Крузер, «Ниссан» — на Икстрейл и Патфайндер.

/bmw-tune/

Я дооснастил свою БМВ и сэкономил 540 тысяч

Вместе с тем цепи все чаще встречаются у малолитражек и авто эконом-класса. ДВС с цепным приводом есть у Тойоты Ярис, Фольксвагена Поло седан до 2014 года, у Шкоды Октавии и Рапид, у Киа Рио и Форда Фокуса.

Типичные неисправности ГРМ

От работы ГРМ зависит стабильность работы двигателя, поэтому механизм важно своевременно обслуживать. В системе ГРМ много деталей, каждая из которых может выйти из строя. Вот как это может почувствовать водитель:

1. Двигатель стучит на малых оборотах, машина разгоняется медленнее — мощность явно упала. Стоит проверить тепловой зазор и состояние кулачков и подшипников распредвала.
2. Двигатель стучит, пока не прогреется: возможно, неисправны гидрокомпенсаторы.
3. Двигатель шумит в районе распредвала, в выхлопной системе что-то стреляет. Сбились фазы ГРМ.
4. Синий дым из выхлопной трубы, уровень масла в двигателе падает. Стоит проверить состояние маслосъемных колпачков, стержней и направляющих втулок клапанов.
5. Кратковременные перебои в работе двигателя, падает мощность, температура выше стандартной несмотря на то, что с охлаждающей жидкостью все в порядке, — возможно, износились пружины клапанов. Самая тяжелая форма такой неисправности — зависание клапанов. Это когда пружина настолько износилась, что не может вернуть клапан на место, он остается в открытом положении дольше, чем нужно, и может встретиться с поршнем. С современными авто такое бывает очень редко.

Работы по диагностике и ремонту ГРМ

Капитальный ремонт двигателя

От 15 000 Р для ВАЗ, от 30 000 Р для иномарок

Замена клапана со снятием и установкой цепи или ремня и головки блока цилиндров

От 5500 Р + 6000 Р + 4000 Р

Замена гидротолкателей со снятием и установкой цепи или ремня

От 3000 Р + 6000 Р

Замена маслосъемных колпачков со снятием и установкой цепи или ремня

От 2500 Р + 6000 Р

Замена распредвала со снятием и установкой цепи или ремня

От 2000 Р + 6000 Р

Замена цепи ГРМ

От 6000 Р

Снятие и установка ГБЦ

От 4000 Р ременной, от 6500 Р цепной

Замена ремня ГРМ

От 3500 Р

Регулировка клапанов

От 2500 Р

Диагностика двигателя

700—1500 Р

Цены на запчасти для ремонта ГРМ на 21 марта 2022 года

Цепь ГРМ

От 35 000 Р за неоригинальный комплект, от 18 000 Р за одну цепь

Комплект ремня ГРМ с роликами

От 10 000 Р для ВАЗ, от 18 000 Р для иномарок

Распредвал

От 8000 Р на ВАЗ, от 20 000 Р за неоригинальный распредвал на иномарку

Втулки клапанов, комплект из 16 штук

От 3500 Р для ВАЗ, от 6500 Р для иномарок

Гидрокомпенсаторы

От 3000 Р для ВАЗ за комплект из 8 штук, от 700 Р за штуку для иномарок

Клапан

От 200 Р для ВАЗ, от 1500 Р для иномарок

Пружины клапанов

От 100 Р, но бывают и очень дорогие пружины

Система изменения фаз газораспределения — как работает VVT

Сердце большинства современных автомобилей — двигатель внутреннего сгорания, значительно продвинулся вперед за свою столетнюю историю.

В этой серии статей описываются некоторые ключевые инновации в технологии двигателей, а затем рассматриваются альтернативы двигателю внутреннего сгорания. На этой неделе, как работает система изменения фаз газораспределения.

Ознакомьтесь с другими деталями этой серии:

Технология сквозь время: впрыск топлива
Технология сквозь время: наддув
Технология сквозь время: турбонаддув
Технология сквозь время: водородные топливные элементы

Цель

Чтобы двигатель внутреннего сгорания вырабатывал энергию, воздух должен поступать, а выхлопные газы должны выходить из камеры цилиндра. Открытие и закрытие этих впускных и выпускных каналов контролируются клапанами, известными как впускные и выпускные клапаны соответственно.

Без системы изменения фаз газораспределения эти впускные и выпускные клапаны будут работать одинаково независимо от числа оборотов двигателя (оборотов в минуту) или условий движения. Это не идеально, так как водителю может потребоваться другое поведение двигателя в диапазоне оборотов. Например, при высоких оборотах водитель может желать большей мощности, в то время как экономия топлива может быть приоритетом при низких оборотах и ​​меньшей нагрузке на двигатель.

Простой клапан и поперечное сечение двигателя.

Регулировка фаз газораспределения обеспечивает различные режимы работы за счет изменения работы впускных и выпускных клапанов на разных оборотах двигателя. Таким образом, он помогает оптимизировать производительность двигателя, одновременно улучшая топливную экономичность и выбросы.

История

Alfa Romeo Spider 2000 был первым серийным автомобилем с системой изменения фаз газораспределения.

Необходимость изменения фаз газораспределения была осознана еще в 1924 года, когда американцы запатентовали клапан с изменяемой продолжительностью открытия для двигателя внутреннего сгорания. В 1980 году Alfa Romeo Spider 2000 стал первым серийным автомобилем, оснащенным системой изменения фаз газораспределения.

Как это работает?

Производители автомобилей, как правило, используют собственные названия для технологии изменения фаз газораспределения. Например, Toyota использует систему «VVT-I» (переменная синхронизация клапанов с интеллектом), в то время как Honda, как известно, называет свою систему «VTEC» (переменная синхронизация клапанов и электронное управление подъемом).

Toyota Chaser был одним из первых автомобилей, получивших версию технологии VVT-i.

Несмотря на то, что эти системы могут иметь некоторые различия в реализации, все они основаны на одних и тех же базовых технологиях и инженерных принципах.

Чтобы впускной и выпускной клапаны открывались и закрывались, они соединены с вращающимся распределительным валом, расположенным над клапанами.

Знаменитая технология Honda VTEC используется во всех моделях.

Технология изменения фаз газораспределения управляет тремя ключевыми характеристиками впускных и выпускных клапанов:

• Моменты газораспределения — моменты движения поршня, при которых клапаны открываются и закрываются.
• Длительность клапана — как долго клапаны остаются открытыми.
• Подъем клапана — насколько физически открываются клапаны (отверстие их открытия).

Для этого различные датчики, такие как датчики расхода воздуха и положения распредвала, подают информацию в ЭБУ автомобиля (блок управления двигателем), который затем использует различные механизмы для управления вышеупомянутыми характеристиками клапанов. Например, система Honda VTEC физически перемещает распределительный вал, чтобы увеличить подъем клапана.

Очень простой обзор того, как работает VTEC.

Будущее

В настоящее время системы изменения фаз газораспределения основаны на манипулировании распределительным валом для косвенного изменения трех ключевых характеристик клапана, описанных выше. Это, в свою очередь, ограничивает изменчивость клапана. Вместо этого будущие системы изменения фаз газораспределения могут обеспечить прямое управление каждым клапаном (иногда называемое «двигателем без кулачков» или «двигателем со свободным клапаном»), что обеспечит бесконечную вариативность и, следовательно, лучшую производительность двигателя.

Считаете ли вы, что система изменения фаз газораспределения может еще больше увеличить срок службы двигателя внутреннего сгорания, или электродвигатель остановит его как вкопанный? Расскажите нам, что вы думаете в комментариях.

Теория и принципы изменения фаз газораспределения

Нет сомнений в том, что специалисты по двигателям увидят в своих магазинах больше двигателей с регулируемой фазой газораспределения (VVT), поскольку поколение автомобилей, оснащенных этой технологией, начинает проникать в сферу обслуживания.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше

Эти звездочки распределительных валов и зубчатые колеса являются неотъемлемыми частями этого автомобиля Ford. Штампованные стальные пластины являются рефлекторами, которые позволяют датчику положения распределительного вала определять фазы газораспределения. Обычная звездочка цепи ГРМ завершает набор.

На самом деле актуальные версии ВВТ были массово внедрены в отечественное производство лет 10 назад.

Принципы работы
Теория изменения фаз газораспределения проста. Представьте столб воздуха, проходящий через двухдюймовую трубу со скоростью 250 футов в секунду. Внезапно поток воздуха перекрывается клапаном на конце трубы.

Кинетическая энергия воздуха поддерживает его движение до тех пор, пока на клапане не начнет развиваться волна сжатия. Оптимальное время для открытия клапана и достижения наибольшего расхода воздуха наступает, когда эта волна сжатия достигает своего пика. Напротив, лучшее время для открытия выпускного клапана наступает, когда на клапане возникает вакуумная волна.

Система изменения фаз газораспределения использует эти волны давления и вакуума для достижения большего расхода воздуха через двигатель данного размера. Опережение фаз газораспределения увеличивает крутящий момент двигателя на низких оборотах, а запаздывание фаз газораспределения увеличивает крутящий момент на высоких оборотах. Модуль управления трансмиссией (PCM) определяет положение фаз газораспределения на основе данных, поступающих от датчиков положения распределительных валов или датчиков фаз газораспределения. Помните об этой терминологии, потому что некоторые автомобили могут использовать оба типа датчиков на одном двигателе.

Номенклатура деталей
Деталь, которая фактически контролирует положение распределительного вала (и синхронизацию клапанов), называется «фазером». Конструкция VVT Phaser включает поршневую и лопастную конфигурации. В любом случае фазер использует давление моторного масла, чтобы подтолкнуть поршень или вращающиеся лопасти к мощной пружине. В фазорезе крыльчатого типа часовая пружина возвращает фазы газораспределения в положение «по умолчанию» во время запуска двигателя или в случае отказа системы VVT. Другая часть, называемая соленоидом фаз газораспределения, измеряет давление моторного масла в фазере.

На соленоид VVT подается напряжение при включении зажигания, и PCM мгновенно заземляет цепь для измерения давления масла в фазовращателе до тех пор, пока фаза газораспределения не достигнет желаемого значения. Соленоид фаз газораспределения также включает в себя сетку с очень мелкими ячейками, предотвращающую попадание грязи и мусора в механизм.