ГРМ — это механизм, используемый для зарядки цилиндров двигателя свежим зарядом (горючей смесью в классическом бензиновом двигателе или воздухом в дизельном двигателе) и выпуска отработавших газов в соответствии с рабочим циклом, а также для надежной изоляции камеры сгорания от окружающей среды во время тактов сжатия и разгона.
В зависимости от типа наддува и выхлопной системы существует два типа механизма синхронизации
- клапан
- золотниковый клапан
Механизм изменения фаз газораспределения клапанов является наиболее распространенным и используется во всех четырехтактных двигателях. Клапаны могут находиться в верхнем или нижнем положении. В настоящее время чаще используется верхнеклапанный ГРМ, поскольку он обеспечивает более эффективный процесс газообмена. Типичные схемы расположения выпускных клапанов с верхним банком клапанов показаны на рисунке.
Из чего состоит газораспределительный механизм (ГРМ) двигателя?
Основными компонентами привода клапанов являются.
- распределительный вал
- впускные и выпускные клапаны вместе с пружинами, крепежом и направляющими втулками
- привод распределительного вала
- другие детали (толкатели, коромысла, коромысла и т.д.), которые обеспечивают передачу движения от распределительного вала к клапанам.
В V-образных двигателях основная часть рассматриваемого механизма — распределительный вал — может иметь как нижнее, так и верхнее положение. В нижнем варианте (рис. a) распределительный вал 7, расположенный в картере, приводится в движение от коленчатого вала двигателя с помощью передачи, обычно состоящей из пары цилиндрических или конических шестерен (возможны несколько пар шестерен).
В четырехтактном двигателе передаточное отношение равно двум, т.е. распределительный вал вращается с половиной скорости коленчатого вала. При вращении распределительного вала он перемещает толкатели 2 и штоки 3 посредством кулачков. Последние вращают коромысла 5 относительно оси 4. Одновременно противоположные концы коромысел воздействуют на клапаны 7, перемещая их вниз и преодолевая при этом сопротивление пружин 6. Кулачки распределительного вала и их форма отрегулированы таким образом, что впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются в определенное время в соответствии с циклом работы двигателя.
Рис. Синхронизация верхнего клапана:
a — при нижнем положении распределительного вала: 1 — распределительный вал; 2 — толкатель; 3 — шток; 4 — коромысло; 5 — коромысло; 6 — пружина; 7 — клапан; b — при верхнем положении распределительного вала: 1 — винт; 2 — контргайка; 3 — коромысло; 4 — распределительный вал
В серийных верхнеклапанных и V-образных двигателях с четырьмя клапанами на цилиндр распределительный вал (валы) расположен в головке блока цилиндров, рядом с клапанами (рис. b). Поскольку расстояние между осевой линией распредвала и осевой линией коленчатого вала оказывается значительным, когда распредвал находится сверху, для приведения распредвала в движение обычно используется цепной привод. При относительно небольшой мощности можно также использовать зубчатые ремни.
Распределительные валы больших V-образных дизельных двигателей приводятся в действие клапанным механизмом, в котором число пар конических шестерен может быть две или более. В системе с верхним распредвалом количество зубчатых элементов уменьшается. Например, в механизме, показанном на рис. b, нет ни толкателей, ни штоков. Распределительный вал 4 воздействует непосредственно на рычаги 3, которые, в свою очередь, перемещают клапаны.
При работе двигателя компоненты клапанного механизма нагреваются (сильнее всего клапаны) и, соответственно, расширяются и удлиняются. Для того чтобы стержень клапана мог выдвигаться при нагреве двигателя, не нарушая плотной посадки головки клапана в седло клапана, на холодном двигателе должен быть зазор между отдельными компонентами клапанного механизма (например, между стержнем клапана и концом коромысла). Этот зазор может регулироваться различными способами, например, с помощью винта 1, ослабление которого предотвращается контргайкой 2. Для того чтобы устранить необходимость регулировки зазора и уменьшить шум двигателя, во многих современных двигателях используются гидравлические толкатели в приводах клапанов. Эти толкатели имеют гидравлические компенсаторы, которые изменяют свою длину под давлением масла, поступающего из системы смазки двигателя. Клапан, его направляющая втулка, пружина и несущий диск, а также крепежные детали образуют блок клапанов в клапанном механизме.
Клапан состоит из головки клапана и шпинделя клапана, между которыми имеется плавный переход для уменьшения сопротивления потоку газа. Головка клапана имеет шлифованную коническую рабочую поверхность — фаску — на которой клапан плотно прилегает к седлу. На конце стержня клапана имеется паз для установки пружинной шайбы. В некоторых случаях для улучшения отвода тепла от головки выпускного клапана стержень клапана со стороны головки клапана делается полым и в него вводится жидкий металлический натрий.
Клапаны изготавливаются методом развальцовки из стального прутка с последующей механической и термической обработкой. Материал — износостойкая и жаропрочная сталь. В некоторых случаях головка клапана и стержень выпускного клапана изготавливаются из разных сортов стали и затем соединяются сваркой. Для повышения твердости и износостойкости поверхность шпинделя клапана дополнительно закалена. В некоторых случаях на фаску выпускного клапана наносится сверхжаропрочный сплав для увеличения срока службы.
Каждый цилиндр двигателя имеет как минимум два клапана — впускной и выпускной. Однако в настоящее время наблюдается тенденция к увеличению количества клапанов на цилиндр. Все чаще встречаются двигатели с тремя (два впускных и один выпускной) и четырьмя (два впускных и два выпускных) клапанами. Если имеется один впускной и один выпускной клапан, то первый имеет большую головку клапана. Это необходимо для лучшего заполнения цилиндра свежим зарядом.
Направляющая втулка, через которую проходит шток клапана, обеспечивает точную посадку клапана. Шток точно подогнан к втулке (зазор 0,05…0,12 мм). Направляющие втулки изготавливаются из чугуна или спеченного пористого материала, который может быть пропитан смазочным маслом.
Пружина клапана удерживает клапан в закрытом состоянии и обеспечивает его плотное прилегание к седлу. Пружины изготавливаются методом холодной навивки из специальной термообработанной стальной проволоки с последующей дробеструйной обработкой, что повышает их долговечность. Пружины с переменным шагом иногда используются для предотвращения резонансных колебаний.
Опорная шайба удерживает пружину в сжатом состоянии. Шток клапана крепится к опорной площадке с помощью конических разрезных шайб, вставленных в выемку на штоке.
Седло клапана, где клапан прилегает к фаске головки клапана, расположено в головке цилиндра на высококлапанном двигателе. Седла выпускных и иногда впускных клапанов обычно выполнены в виде корпусных колец и плотно запрессованы в углубления головки цилиндра. Кольца корпуса изготовлены из жаропрочной стали, специального чугуна или спеченного материала.
Зубчатые детали в приводе клапанов обеспечивают передачу усилий от распределительного вала к стержням клапанов. К этим частям относятся:
- толкатели
- стержни
- коромысла
Толкатели передают осевые усилия от кулачков распределительного вала к стержням клапанов или шарнирам. Они могут быть плоскими, грибовидными, цилиндрическими или рычажными. Они изготавливаются из стали или чугуна. Контактные поверхности толкателей закалены, а затем отшлифованы для повышения твердости и износостойкости.
Штоки используются для передачи усилий от толкателей к коромыслам, когда распределительный вал находится внизу в верхнекулачковом двигателе (см. рисунок a). Стержни изготавливаются из стали или алюминиевых сплавов и имеют форму трубы. На концах прутка они снабжены стальными насадками со сферическими поверхностями, обладающими высокой твердостью. Нижние концы упираются в седла толкателей, а верхние — в регулировочные винты коромысел.
Коромысла предназначены для изменения направления и величины усилий, передаваемых на штоки клапанов. Коромысла шарнирно установлены на оси, которая крепится к головке блока цилиндров. Коромысло может быть оснащено регулировочным винтом на одном конце для изменения зазора распредвала. Коромысло изготавливается из стали или ковкого чугуна. Коромысло закаливается, а затем шлифуется.
Распределительный вал используется для открытия и закрытия клапанов в нужное время с помощью кулачков. Конструкция распределительного вала зависит от типа двигателя, количества цилиндров и клапанов и типа привода. Типичные конструкции распределительных валов показаны на рисунке. Каждый распределительный вал имеет кулачки впускного 2 и выпускного 4 клапанов и опорные шейки 2.
Бензиновый карбюраторный двигатель с распределительным валом также имеет винтовую передачу 5, которая приводит в действие масляный насос и распределитель зажигания, и эксцентрик 3, который приводит в действие топливный насос. Количество кулачков соответствует общему количеству клапанов, приводимых в действие этим валом.
Количество шеек подшипника обычно совпадает с количеством коренных шеек коленчатого вала. В рядном четырехцилиндровом двигателе концы кулачков установлены под углом 90° (рис. a), в рядном шестицилиндровом — под углом 60° (рис. b) и в V-образном двигателе — под углом 45° (рис. c). Угол наклона противоположных кулачков определяется фазами газораспределения. Концы кулачков выравниваются в соответствии с порядком работы двигателя, с учетом направления вращения вала.
Тонкостенные биметаллические или триметаллические втулки, запрессованные в картер (нижнее расположение) или в головку цилиндров (верхнее расположение), являются наиболее часто используемыми подшипниками распределительного вала. Одна из подшипниковых шеек вала (обычно передняя) оснащена фиксатором для предотвращения осевого перемещения.
Шейки подшипников смазываются маслом под давлением из системы смазки двигателя. Когда распределительный вал установлен сверху, в корпусе распределительного вала просверливается осевое отверстие для подачи масла ко всем шейкам подшипников и кулачкам.
Рис. Распределительные валы рядных четырехцилиндровых (a), рядных шестицилиндровых (b) и V8 (c) двигателей со схемами расположения кулачков:
1 — шейка подшипника; 2, 4 — кулачки впускного и выпускного клапанов; 3 — эксцентрик топливного насоса; 5 — винтовая передача привода масляного насоса
