Классификация, устройство и принцип работы ГРМ двигателя

Газораспределительный механизм (ГРМ) представляет собой совокупность деталей и узлов, обеспечивающих открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов двигателя в определенный момент времени. Основная задача ГРМ заключается в своевременной подаче топливовоздушной смеси или топлива (это зависит от типа мотора) в камеру сгорания и выпуск отработавших газов. Для реализации этой задачи слажено работает целый комплекс механизмов, часть из которых управляется при помощи электроники.

Устройство газораспределительного механизма

В современных моторах газораспределительный механизм располагается в головке блока цилиндров двигателя. В его состав входят следующие основные элементы:

Распределительный вал. Это сложная по конструкции деталь, которая изготавливается из прочной стали или чугуна с высокой точностью обработки. В зависимости от конструкции ГРМ распредвал может устанавливаться в головке блока цилиндров или в картере двигателя (такая компоновка сейчас не применяется). Это основная деталь, которая отвечает за последовательное открытие и закрытие клапанов. Распределительный вал

На валу имеются опорные шейки и кулачки, которые и толкают стержень клапана или коромысло. Форма кулачка имеет строго определенную геометрию, поскольку от этого зависит длительность и степень открытия клапана. Также кулачки выполнены разнонаправленными, чтобы обеспечивать попеременную работу цилиндров.

Привод. Крутящий момент от коленчатого вала передается через привод на распределительный вал. Привод бывает разным в зависимости от конструктивного решения. Шестерня коленвала в два раза меньше шестерни распредвала. Таким образом, коленчатый вал вращается в два раза быстрее. В зависимости от типа привода в его состав входят:

• цепь или ремень;
• шестерни валов;
• натяжитель (натяжной ролик);
• успокоитель и башмак.

Впускные и выпускные клапаны. Они расположены в головке блока цилиндров и представляют собой стержни с плоской головкой на одном конце, которая называется тарелкой. Впускные и выпускные клапаны отличаются по конструкции. Впускной изготавливается цельной деталью. Также он имеет больший диаметр тарелки для обеспечения лучшего наполнения цилиндра свежим зарядом. Выпускной часто изготавливают из жаропрочной стали и с полым стержнем для лучшего охлаждения, так как в работе он подвергается более высоким температурам. Внутри полости находится натриевый наполнитель, который легко плавится и отводит часть тепла от тарелки к стержню. Впускные и выпускные клапаны с пружинами

На тарелках клапанов сделаны специальные фаски, которые обеспечивают более плотное прилегание к отверстиям в головке блока цилиндров. Это место называется седлом. Кроме самих клапанов, в механизме предусмотрены дополнительные элементы, обеспечивающие его правильную работу:

• Пружины. Возвращают клапаны в исходное положение после нажатия.
• Маслосъемные колпачки. Представляют собой специальные уплотнители, которые не допускают попадания масла в камеру сгорания по стержню клапана.
• Направляющая втулка. Устанавливается в корпус ГБЦ и обеспечивает точное движение клапана.
• Сухари. С их помощью пружина крепится на стержне клапана.

Толкатели. Через толкатели передается усилие от кулачка распредвала на стержень. Изготавливаются из высокопрочной стали. Они бывают разных видов (механические (стаканы), роликовые, гидрокомпенсаторы). Тепловой зазор между механическими толкателями и кулачками распредвала регулируется вручную. Гидрокомпенсаторы или гидротолкатели автоматически поддерживают нужный тепловой зазор и не требуют регулировки.

Коромысло или рычаги. Простое коромысло представляет собой двуплечный рычаг, который совершает качательные движения. В различной компоновке коромысла могут работать по-разному.

Коромысло

Системы изменения фаз газораспределения. Данные системы устанавливаются не на все двигатели. Более подробно про устройство и принцип работы CVVT можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Принцип работы

Работу газораспределительного механизма сложно рассматривать отдельно, в отрыве от рабочего цикла двигателя. Ведь его основная задача – это вовремя открыть и закрыть клапана на определенный промежуток времени. Соответственно на такте впуска открываются впускные, а на такте выпуска – выпускные. То есть фактически механизм должен реализовывать рассчитанные фазы газораспределения.

Технически это происходит следующим образом:

1. Коленчатый вал передает крутящий момент посредством привода на распределительный.
2. Кулачок на распределительном валу нажимает на толкатель или коромысло.
3. Клапан перемещается внутрь камеры сгорания, открывая доступ свежему заряду или отработавшим газам.
4. После того как кулачок проходит активную фазу воздействия, клапан возвращается на место под действием пружины.

Стоит также отметить, что за полный рабочий цикл распредвал совершает 2 оборота, попеременно открывая клапана в каждом цилиндре, в зависимости от порядка их работы. То есть, например, при схеме работы 1-3-4-2 в один и тот же момент времени в первом цилиндре будут открыты впускные клапаны, а в четвертом выпускные. Во втором и третьем клапаны будут закрыты.

Классификация или типы ГРМ

Двигатели могут иметь различную компоновку газораспределительного механизма. Рассмотрим следующую классификацию.

По расположению распределительного вала

Существуют два типа положения распредвала:

При нижнем расположении распредвал находится в блоке цилиндров рядом с коленчатым валом. Усилие от кулачков передается через толкатели на коромысла, при этом применяются специальные штанги. Они представляют собой длинные стержни и связывают толкатели внизу с коромыслами наверху. Нижнее расположение считается не самым удачным, но имеет и свои плюсы. В частности, более надежное соединение распредвала с коленвалом. Данный тип расположения на современных моторах не применяется.

Нижнее расположение распредвала и устройство ГРМ

При верхнем положении распредвал находится в головке блока цилиндров (ГБЦ) непосредственно над клапанами. При таком положении могут быть реализованы различные варианты воздействия на клапаны: через толкатели, коромысла или рычаги. Такая конструкция более простая, надежная и компактная. Верхнее положение распредвала получило более широкое распространение.

По количеству распределительных валов

На рядных двигателях могут быть установлены один или два распределительных вала. Моторы с одним распредвалом имеют аббревиатуру SOHC (Single Overhead Camshaft), а с двумя – DOHC (Double Overhead Camshaft). Один вал отвечает за открытие впускных, а другой за открытие выпускных клапанов. В двигателях c V-образной компоновкой используются четыре распредвала, по два на каждый ряд цилиндров.

По количеству клапанов

От количества клапанов на один цилиндр будет зависеть форма распредвала и количество кулачков на нем. Клапанов может быть два, три, четыре или пять.

Самый простой вариант с двумя клапанами: один работает на впуск, другой на выпуск. В трехклапаном двигателе два работают на впуск и один на выпуск. При четырех клапанах: два на впуск и два на выпуск. Пять клапанов: три на впуск и два на выпуск. Чем больше клапанов на впуске, тем больше объем поступающей топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Повышается мощность и динамика двигателя. Сделать больше пяти не позволят размер камеры сгорания и форма распредвала. Наиболее часто встречается схема с четырьмя клапанами на цилиндр.

По типу привода

Различают три типа привода распределительного вала:

1. Шестеренчатый. Данный привод возможен только при нижнем положении распредвала в блоке цилиндров. Коленвал и распредвал имеют зубчатый привод через шестерни (звездочки). Главное преимущество такого привода – надежность. При верхнем положении распредвала в ГБЦ применяется цепной и ременный привод.
2. Цепной. Этот привод считается более надежным. Но использование цепи требует особых условий. Для гашения колебаний устанавливаются успокоители, а натяжение цепи регулируется натяжителями. В зависимости от количества валов могут применяться несколько цепей.

Ресурса цепи хватает в среднем на 150-200 тысяч километров пробега.

Главной проблемой цепного привода считается поломка натяжителей, успокоителей или разрыв самой цепи. При плохом натяжении цепь может перескакивать между зубьев в ходе работы, что приводит к нарушению фаз газораспределения.

Ременный и цепной приводы ГРМ

Автоматически регулировать натяжение цепи помогают гидронатяжители. Они представляют собой поршни, которые давят на так называемый башмак. Башмак прилегает непосредственно к цепи. Он представляет собой изогнутую дугой деталь со специальным покрытием. Внутри гидронатяжителя находится плунжер, пружина и рабочая полость для масла. Масло поступает в натяжитель и выталкивает цилиндр до нужного уровня. Клапан закрывает масляный канал, и поршень постоянно поддерживает нужное натяжение цепи. По похожему принципу работают гидрокомпенсаторы в ГРМ. Успокоитель цепи гасит остаточные колебания, которые не погасил башмак. Так достигается оптимальная и точная работа цепного привода.

Самые большие неприятности может принести разрыв цепи.

Распредвал прекращает вращение, а коленвал продолжает крутиться и двигать поршни. Днища поршней ударяются о тарелки клапанов, что приводит к их деформации. В самых тяжелых случаях может быть поврежден и блок цилиндров. Чтобы такого не произошло, иногда применяются двухрядные цепи. При обрыве одной другая продолжит работу. Водитель без последствий исправит ситуацию.
Ременный. Ременный привод не требует смазки, в отличие от цепного.

Ресурс ремня также ограничен и в среднем он равен 60-80 тысячам километров пробега.

Для лучшего сцепления и надежности используются зубчатые ремни. Такой привод более прост. Разрыв ремня при работающем двигателе приведет к тем же последствиям, что и при разрыве цепи. Главными преимуществами ременного привода является простота эксплуатации и замены, дешевизна и бесшумная работа.

От правильной работы всего газораспределительного механизма зависит работа двигателя, его динамика и мощность. Чем больше количество и объем цилиндров, тем сложнее будет устройство ГРМ. Каждому водителю важно понимать устройство механизма, чтобы вовремя заметить неисправность.

Газораспределительный механизм двигателя, конструкция и принцип действия

Газораспределительный механизм (ГРМ) — это совокупность деталей и узлов, которые открывают и закрывают впускные и выпускные клапана двигателя в заданный момент времени. Основная задача газораспределительного механизма — своевременная подача топливовоздушной или топлива (в зависимости от типа двигателя) в камеру сгорания и выпуск выхлопных газов. Для решения этой задачи слаженно работает целый комплекс механизмов, некоторые из которых управляются электронным способом.

Как устроен ГРМ

В современных двигателях газораспределительный механизм расположен в головке блока цилиндров двигателя. Он состоит из следующих основных элементов:

• Распределительный вал. Это изделие сложной конструкции, изготовленное из прочной стали или чугуна с высокой точностью обработки. В зависимости от конструкции ГРМ распределительный вал может быть установлен в головке блока цилиндров или в картере (в настоящее время такое расположение не используется). Это основная часть, отвечающая за последовательное открытие и закрытие клапанов.

Вал имеет опорные шейки и кулачки, которые толкают стержень клапана или коромысло. Форма кулачка имеет строго определенную геометрию, так как от этого зависит продолжительность и степень открытия клапана. Кроме того, кулачки выполнены разнонаправленными, чтобы обеспечить попеременную работу цилиндров.

• Привод. Крутящий момент от коленчатого вала передается через привод на распределительный вал. Привод различается в зависимости от конструктивного решения. Шестерня коленчатого вала в два раза меньше шестерни распредвала. Таким образом, коленчатый вал вращается вдвое быстрее. В зависимости от типа привода в него входят:

1. цепь или ремень;
2. шестерни валов;
3. натяжитель (натяжной ролик);
4. успокоитель и башмак.

• Впускные и выпускные клапаны. Они расположены на головке блока цилиндров и представляют собой стержни с плоской головкой на одном конце, называемая тарелкой. Впускные и выпускные клапаны различаются по конструкции. Впускной выполнен цельным. Он также имеет тарелку большего диаметра для лучшего заполнения цилиндра свежим зарядом. Выпускной обычно изготавливается из жаропрочной стали и имеет полый стержень для лучшего охлаждения, так как при эксплуатации он подвергается воздействию более высоких температур. Внутри полости находится наполнитель из натрия, который легко плавится и отводит часть тепла от тарелки к стержню.

На головках клапанов сделаны специальные фаски для обеспечения более плотной посадки в отверстиях в головке блока цилиндров. Это место называется седлом. Помимо самих клапанов, в механизме предусмотрены дополнительные элементы для обеспечения их правильной работы:

1. Пружины. Возвращают клапаны в исходное положение после нажатия.
2. Маслосъемные колпачки. Это специальные уплотнения, предотвращающие попадание масла в камеру сгорания по стержню клапана.
3. Направляющая втулка. Устанавливается в корпусе головки блока цилиндров и обеспечивает точное перемещение клапана.
4. Сухари. С их помощью к стержню клапана крепится пружина.

• Толкатели. Через толкатели усилие передается от кулачка распределительного валам к стержню. Изготовлены из высокопрочной стали. Они бывают разных типов:

1. механические — стаканы;
2. роликовые;
3. гидрокомпенсаторы.

Тепловой зазор между механическими толкателями и кулачками распределительного вала регулируется вручную. Гидравлические компенсаторы или гидравлические толкатели автоматически поддерживают необходимый тепловой зазор и не требуют регулировки.

• Коромысло или рычаги. Простое коромысло — это двуплечий рычаг, совершающий качательные движения. В разных компоновках коромысла могут работать по-разному.
• Системы изменения фаз газораспределения. Эти системы устанавливаются не на все двигатели. Более подробно об устройстве и принципе работы CVVT можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Описание работы ГРМ

Работу газораспределительного механизма сложно рассматривать отдельно от рабочего цикла двигателя. Его основная задача — вовремя открывать и закрывать клапаны на определенный промежуток времени. Следовательно, на такте впуска — открываются впускные, а на такте выпуска — выпускные. То есть фактически механизм должен реализовывать рассчитанные фазы газораспределения.

Технически это происходит следующим образом:

1. Коленчатый вал передает крутящий момент через привод на распределительный вал.
2. Кулачок распределительного вала давит на толкатель или коромысло.
3. Клапан перемещается внутрь камеры сгорания, открывая доступ свежему заряду или выхлопному газу.
4. После того, как кулачок прошел активную фазу воздействия, клапан возвращается на место под действием пружины.

Также следует отметить, что за полный рабочий цикл распредвал делает 2 оборота, поочередно открывая клапаны на каждом цилиндре в зависимости от порядка их работы. То есть, например, при схеме работы 1-3-4-2 одновременно будут открываться впускные клапаны на первом цилиндре и выпускные клапаны на четвертом. Во втором и третьем клапаны будут закрыты.

Виды газораспределительного механизма

Двигатели могут иметь разные схемы ГРМ. Рассмотрим следующую классификацию.

По положению распредвала

Есть два типа положения распределительного вала:

В нижнем положении распределительный вал расположен на блоке цилиндров рядом с коленчатым валом. Воздействие от кулачков через толкатели передается на коромысла, при этом используются специальные штанги. Это длинные стержни, которые соединяют толкатели внизу с коромыслами наверху. Нижнее расположение не считается самым удачным, но имеет свои преимущества. В частности, более надежное соединение распредвала с коленчатым валом. В современных двигателях такой тип устройства не используется.

В верхнем положении распределительный вал находится в головке блока цилиндров, чуть выше клапанов. В этом положении можно реализовать несколько вариантов воздействия на клапаны: с помощью толкателей коромысла или рычагов. Такая конструкция проще, надежнее и компактнее. Более распространенным стало именно верхнее положение распредвала.

По количеству распредвалов

Рядные двигатели могут комплектоваться одним или двумя распредвалами. Двигатели с одним распредвалом обозначаются аббревиатурой SOHC(Single Overhead Camshaft), а с двумя — DOHC(Double Overhead Camshaft). Один вал отвечает за открытие впускных клапанов, а другой — за выпускные. V-образные двигатели используют четыре распредвала, по два на каждый ряд цилиндров.

По количеству клапанов

Форма распределительного вала и количество кулачков будут зависеть от количества клапанов на цилиндр. Может быть два, три, четыре или пять клапанов.

Самый простой вариант с двумя клапанами: один работает на впуск, другой — на выпуск. В трехклапанном двигателе два впускных и один выпускной клапаны. В варианте с четырьмя клапанами: два впускных и два выпускных. Пять клапанов: три для впуска и два для выпуска. Чем больше клапанов на впуске, тем больший объем топливовоздушной смеси поступает в камеру сгорания. Соответственно увеличена мощность и динамика двигателя. Сделать больше пяти не позволит размер камеры сгорания и форма распределительного вала. Чаще всего используется четыре клапана на цилиндр.

По типу привода

Существует три типа приводов распределительных валов:

1. Шестеренчатый. Этот вариант привода возможен только в том случае, если распределительный вал находится в нижнем положении блока цилиндров. Коленчатый и распределительный валы приводятся в движение шестернями. Главное достоинство такого агрегата — надежность. Когда распределительный вал находится в верхнем положении в головке блока цилиндров, используются цепной и ременный привод.
2. Цепной. Этот привод считается более надежным. Но использование цепи требует особых условий. Для гашения колебаний установлены успокоители, а натяжение цепи регулируется натяжителями. В зависимости от количества валов могут использоваться несколько цепей.

Ресурса цепи хватает в среднем на 150-200 тысяч километров.

Основной проблемой цепного привода считается неисправность натяжителей, успокоителей или обрыв самой цепи. При недостаточном натяжении цепь при работе может проскальзывать между зубьями, что приводит к нарушению фаз газораспределения.

Помогает автоматически регулировать натяжение цепи гидронатяжители. Это поршни, которые давят на так называемый башмак. Башмак прилегает непосредственно к цепи. Это деталь со специальным покрытием, изогнутая по дуге. Внутри гидронатяжителя находятся плунжер, пружина и рабочая полость для масла. Масло поступает в натяжитель и толкает цилиндр до нужного уровня. Клапан закрывает масляный канал и поршень постоянно поддерживает правильное натяжение цепи Гидравлические компенсаторы в ГРМ работают по аналогичному принципу. Успокоитель цепи поглощает остаточные колебания, которые не были погашены башмаком. Это гарантирует идеальную и точную работу цепного привода.

Самая большая проблема может возникнуть из-за разрыва цепи.

Распределительный вал перестает вращаться, но коленчатый вал продолжает вращаться и перемещать поршни. Днища поршней достигают тарелки клапанов, вызывая их деформацию. В самых тяжелых случаях также может быть поврежден блок цилиндров. Чтобы этого не произошло, иногда используют двухрядные цепи. Если одна рвется, другая продолжает работать. Водитель сможет исправить ситуацию без последствий.
Ременный.Ременный привод не требует смазки, в отличие от цепного привода.

Ресурс ремня тоже ограничен и составляет в среднем 60-80 тысяч километров пробега.

Ремни зубчатой формы используются для лучшего сцепления и надежности. Этот более простой. Разрыв ремня при работающем двигателе будет иметь те же последствия, что и разрыв цепи. Основные преимущества ременной передачи — простота эксплуатации и замены, невысокая стоимость и бесшумная работа.

От правильного функционирования всего газораспределительного механизма зависит работа двигателя, его динамика и мощность. Чем больше количество и объем цилиндров, тем сложнее будет устройство синхронизации. Каждому водителю важно понимать устройство механизма, чтобы вовремя заметить неисправность.