Газорозподільний механізм двигуна, конструкція та принцип дії

Газорозподільний механізм (ГРМ) - це сукупність деталей і вузлів, які відкривають і закривають впускні та випускні клапани двигуна в заданий момент часу. Основне завдання газорозподільного механізму - своєчасне подання паливоповітряного або палива (залежно від типу двигуна) в камеру згоряння та випуск вихлопних газів. Для вирішення цього завдання злагоджено працює цілий комплекс механізмів, деякі з яких керуються електронним способом.

Як влаштований ГРМ

У сучасних двигунах газорозподільний механізм розташований у головці блоку циліндрів двигуна. Він складається з наступних основних елементів:

• Розподільний вал. Це виріб складної конструкції, виготовлений із міцної сталі або чавуну з високою точністю обробки. Залежно від конструкції ГРМ розподільний вал може бути встановлений у головці блоку циліндрів або в картері (нині таке розташування не використовується). Це основна частина, яка відповідає за послідовне відкриття та закриття клапанів.

Вал має опорні шийки та кулачки, які штовхають стрижень клапана або коромисло. Форма кулачка має строго певну геометрію, тому що від цього залежить тривалість та ступінь відкриття клапана. Крім того, кулачки виконані різноспрямованими, щоб забезпечити поперемінну роботу циліндрів.

• привід. Крутний момент від колінчастого валу передається через привід на розподільний вал. Привід залежить від конструктивного рішення. Шестерня колінчастого валу вдвічі менша за шестерню розподільного валу. Таким чином, колінчастий вал обертається вдвічі швидше. Залежно від типу приводу до нього входять:

1. ланцюг чи ремінь;
2. шестірні валів;
3. натягувач (натяжний ролик);
4. заспокійник та черевик.

• Впускні і випускні клапани. Вони розташовані на головці блоку циліндрів і є стрижнями з плоскою головкою на одному кінці, звана тарілкою. Впускні та випускні клапани розрізняються за конструкцією. Впускний виконаний цілісним. Він також має тарілку більшого діаметру для кращого наповнення циліндра свіжим зарядом. Випускний зазвичай виготовляється з жароміцної сталі та має порожнистий стрижень для кращого охолодження, так як при експлуатації він піддається впливу вищих температур. Усередині порожнини знаходиться наповнювач із натрію, який легко плавиться та відводить частину тепла від тарілки до стрижня.

На головках клапанів зроблені спеціальні фаски для забезпечення щільнішої посадки в отворах головки блоку циліндрів. Це місце називається сідлом. Крім самих клапанів, у механізмі передбачені додаткові елементи для забезпечення їх правильної роботи:

1. Пружини. Повертають клапани у вихідне положення після натискання.
2. Маслозйомні ковпачки. Це спеціальні ущільнення, що запобігають попаданню олії в камеру згоряння по стрижню клапана.
3. Направляюча втулка. Встановлюється у корпусі головки блоку циліндрів та забезпечує точне переміщення клапана.
4. Сухарі. З їхньою допомогою до стрижня клапана кріпиться пружина.

• Штурхачі. Через штовхачі зусилля передається від розподільного кулачка валів до стрижня. Виготовлені із високоміцної сталі. Вони бувають різних типів:

1. механічні – склянки;
2. роликові;
3. гідрокомпенсатори.

Тепловий зазор між механічними штовхачами та кулачками розподільчого валу регулюється вручну. Гідравлічні компенсатори або гідравлічні штовхачі автоматично підтримують необхідний тепловий проміжок і не вимагають регулювання.

• Коромисло або важелі. Просте коромисло - це двоплечий важіль, що здійснює коливальні рухи. У різних компонування коромисла можуть працювати по-різному.
• Системи зміни фаз газорозподілу. Ці системи встановлюються не всі двигуни. Докладніше про пристрій та принцип роботи CVVT можна прочитати в окремій статті на нашому сайті.

Опис роботи ГРМ

Роботу газорозподільного механізму складно розглядати окремо від робочого циклу двигуна. Його основне завдання – вчасно відкривати та закривати клапани на певний проміжок часу. Отже, на такті впуску відкриваються впускні, а на такті випуску випускні. Тобто фактично механізм має реалізовувати розраховані фази газорозподілу.

Технічно це відбувається так:

1. Колінчастий вал передає момент, що крутить, через привід на розподільчий вал.
2. Кулачок розподільного валу тисне на штовхач чи коромисло.
3. Клапан переміщується в камеру згоряння, відкриваючи доступ свіжому заряду або вихлопному газу.
4. Після того, як кулачок пройшов активну фазу дії, клапан повертається на місце під дією пружини.

Також слід зазначити, що за повний робочий цикл розподільний вал робить 2 обороти, по черзі відкриваючи клапани на кожному циліндрі в залежності від порядку їх роботи. Тобто, наприклад, при схемі роботи 1-3-4-2 одночасно відкриватимуться впускні клапани на першому циліндрі та випускні клапани на четвертому. У другому та третьому клапани будуть закриті.

Види газорозподільного механізму

Двигуни можуть мати різні схеми ГРМ. Розглянемо таку класифікацію.

За положенням розподільного валу

Є два типи положення розподільчого валу:

• нижнє;
• верхнє.

У нижньому положенні розподільний вал розташований на блоці циліндрів поряд з колінчастим валом. Дія від кулачків через штовхачі передається на коромисла, при цьому використовуються спеціальні штанги. Це довгі стрижні, які з'єднують штовхачі знизу з коромислами нагорі. Нижнє розташування не вважається найвдалішим, але має переваги. Зокрема, більш надійне з'єднання розподільного валу з колінчастим валом. У сучасних двигунах такий тип пристрою не використовується.

У верхньому положенні розподільний вал знаходиться в головці блоку циліндрів, трохи вище за клапани. У цьому положенні можна реалізувати кілька варіантів на клапани: за допомогою штовхачів коромисла або важелів. Така конструкція простіше, надійніше та компактніше. Найпоширенішим стало саме верхнє положення розподільного валу.

За кількістю розподільних валів

Рядні двигуни можуть комплектуватися одним або двома розподільними валами. Двигуни з одним розподільним валом позначаються абревіатурою SOHC(Single Overhead Camshaft), а з двома - DOHC(Double Overhead Camshaft). Один вал відповідає за відкриття впускних клапанів, а інший за випускні. V-подібні двигуни використовують чотири розподільні вали, по два на кожен ряд циліндрів.

За кількістю клапанів

Форма розподільного валу та кількість кулачків залежатимуть від кількості клапанів на циліндр. Можливо два, три, чотири чи п'ять клапанів.

Найпростіший варіант із двома клапанами: один працює на впуск, інший - на випуск. У триклапанному двигуні два впускні та один випускний клапани. У варіанті з чотирма клапанами: два впускні та два випускні. П'ять клапанів: три для впуску та два для випуску. Чим більше клапанів на впуску, тим більший обсяг паливоповітряної суміші надходить у камеру згоряння. Відповідно збільшена потужність та динаміка двигуна. Зробити більше п'яти не дозволить розмір камери згоряння та форма розподільчого валу. Найчастіше використовується чотири клапани на циліндр.

За типом приводу

Існує три типи приводів розподільчих валів:

1. Шестерний. Цей варіант приводу можливий лише в тому випадку, якщо розподільний вал знаходиться у нижньому положенні блоку циліндрів. Колінчастий і розподільний вали рухаються шестернями. Головна перевага такого агрегату – надійність. Коли розподільний вал знаходиться у верхньому положенні в головці блоку циліндрів, використовуються ланцюговий та ремінний привід.
2. ланцюговий. Цей привід вважається надійнішим. Але використання ланцюга потребує особливих умов. Для гасіння коливань встановлені заспокійники, а натяг ланцюга регулюється натягувачами. Залежно кількості валів можуть використовуватися кілька ланцюгів.
   

   Ресурсу ланцюга вистачає загалом на 150-200 тисяч кілометрів.

   Основною проблемою ланцюгового приводу вважається несправність натягувачів, заспокоювачів або урвища самого ланцюга. При недостатньому натягу ланцюг при роботі може прослизати між зубами, що призводить до порушення фаз газорозподілу.

   Допомагає автоматичному регулюванню натягу ланцюга гідронатягувачі. Це поршні, які тиснуть на так званий черевик. Черевик прилягає безпосередньо до ланцюга. Це деталь із спеціальним покриттям, вигнута по дузі. Усередині гідронатягувача знаходяться плунжер, пружина та робоча порожнина для олії. Олія надходить у натягувач і штовхає циліндр до потрібного рівня. Клапан закриває масляний канал і поршень постійно підтримує правильний натяг ланцюга Гідравлічні компенсатори ГРМ працюють за аналогічним принципом. Заспокійник ланцюга поглинає залишкові коливання, які були погашені черевиком. Це гарантує ідеальну та точну роботу ланцюгового приводу.

   Найбільша проблема може виникнути через розрив ланцюга.

   Розподільний вал перестає обертатися, але колінчастий вал продовжує обертатися та переміщати поршні. Днища поршнів досягають тарілки клапанів, викликаючи їхню деформацію. У найважчих випадках може бути пошкоджений блок циліндрів. Щоб цього не сталося, іноді використовують дворядні ланцюги. Якщо одна рветься, інша продовжує працювати. Водій зможе виправити ситуацію без наслідків.

3. Ремінний.Рем'яний привід не вимагає мастила, на відміну від ланцюгового приводу.
   

   Ресурс ременя також обмежений і становить у середньому 60-80 тисяч кілометрів пробігу.

   Ремені зубчастої форми використовуються для кращого зчеплення та надійності. Цей простіший. Розрив ременя при працюючому двигуні матиме ті ж наслідки, що й розрив ланцюга. Основні переваги ремінної передачі - простота експлуатації та заміни, невисока вартість та безшумна робота.

Від правильного функціонування всього газорозподільного механізму залежить робота двигуна, його динаміка та потужність. Чим більша кількість та об'єм циліндрів, тим складнішим буде пристрій синхронізації. Кожному водієві важливо розуміти механізм механізму, щоб вчасно помітити несправність.