Принцип работы ГРМ двигателя

Механизм ГРМ (привод клапанов) — это совокупность деталей и компонентов, обеспечивающих открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов двигателя в определенное время. Основная функция механизма синхронизации заключается в том, чтобы заставить топливно-воздушную смесь (это зависит от типа двигателя) попасть в камеру сгорания и выпустить отработавшие газы. Чтобы выполнить эту задачу, набор механизмов, некоторые из которых управляются электроникой, работают слаженно.

1. 

Устройство газораспределительного механизма

В современных двигателях привод клапанов расположен в головке блока двигателя. Он состоит из следующих основных компонентов:

1. Распределительный вал. Это сложный компонент, который изготавливается с большой точностью из прочной стали или чугуна. В зависимости от конструкции привода клапанов распределительный вал может быть установлен в головке блока цилиндров или в картере двигателя (такое расположение больше не используется). Это основной компонент, отвечающий за последовательное открытие и закрытие клапанов.
2. Вал коллектораРаспределительный вал оснащен подшипниковыми шейками и кулачками, которые толкают стержень клапана или коромысло. Форма кулачка имеет определенную геометрию, поскольку от этого зависит, как долго работает клапан и до какой степени он открыт. Кулачки также вращаются в противоположных направлениях, чтобы обеспечить чередование цилиндров.
3. Привод. Крутящий момент от коленчатого вала передается на распределительный вал через привод. Привод варьируется в зависимости от конструкции. Шестерня коленчатого вала в два раза меньше шестерни распределительного вала. Это означает, что коленчатый вал вращается с половинной скоростью. В зависимости от типа привода, он состоит из
   • цепь или ремень;
   • звездочки коленчатого вала;
   • натяжитель (натяжной ролик);
   • направляющий ролик; натяжной ролик; натяжное устройство (натяжной ролик); направляющий ролик; штифт и башмак.
4. Впускные и выпускные клапаны. Они расположены в головке цилиндра и представляют собой стержни с плоской головкой на одном конце, которая называется диском. Впускные и выпускные клапаны отличаются по конструкции. Впускной клапан изготовлен за одно целое. Он также имеет диск большего диаметра, что обеспечивает лучшее заполнение цилиндра свежим зарядом. Выпускной клапан часто изготавливается из жаропрочной стали и имеет полый шток для лучшего охлаждения, так как во время работы он подвергается воздействию более высоких температур. Внутри полости находится натриевый наполнитель, который легко плавится и проводит часть тепла от пластины к стеблю.
   Клапанные крышки имеют специальные фаски, которые обеспечивают более плотное прилегание к отверстиям головки блока цилиндров. Это называется сиденьем. Помимо самих клапанов, в механизме имеются дополнительные компоненты, обеспечивающие правильную работу:
   • Пружины. Возвращает клапаны в исходное положение при нажатии.
   • Скребковые колпачки. Это специальные уплотнения, которые предотвращают попадание масла в камеру сгорания через шток клапана.
   • Направляющая втулка. Установленный в корпусе головки блока цилиндров, он обеспечивает точное перемещение клапана.
   • Опорные поверхности. С их помощью пружина устанавливается на стержень клапана.
5. Толкатели клапанов. Толкатели передают усилие от кулачка распределительного вала к стержню клапана. Они изготовлены из высокопрочной стали. Они могут быть различной конструкции (механические толкатели, роликовые толкатели, гидрокомпенсаторы). Тепловой зазор между механическими толкателями и штоками распределительных валов устанавливается вручную. Гидравлические толкатели или гидротолкатели автоматически поддерживают правильный тепловой зазор и не требуют регулировки.
6. Управляющий рычаг или поперечная тяга. Простая дужка — это двойная дужка, которая качается вперед и назад. Это может работать по-разному при различных компоновках дужек.
7. Системы с изменяемым фазным распределением клапанов. Не все двигатели оснащены этими системами. Более подробную информацию о конструкции и функционировании CVVT см. в отдельной статье на нашем сайте.

Принцип работы

Трудно рассматривать работу механизма синхронизации в отрыве от цикла работы двигателя. Ведь его основная задача — открывать и закрывать клапаны в нужное время в течение определенного периода. Соответственно, впускные клапаны открываются на такте впуска, а выпускные клапаны открываются на такте выпуска. Другими словами, рассчитанное фазовое положение клапанов должно быть реально реализовано.

С технической точки зрения это работает следующим образом:

1. Коленчатый вал передает крутящий момент через привод на распределительный вал.
2. Кулачок распределительного вала толкает толкатель или коромысло.
3. Кулачок перемещается в камеру сгорания, открывая путь свежему заряду или выхлопным газам.
4. После прохождения кулачком активной фазы клапан втягивается под действием пружины.

Стоит также отметить, что за полный цикл распределительный вал делает 2 оборота, поочередно открывая клапаны в каждом цилиндре, в зависимости от порядка работы. Это означает, например, что при схеме работы 1-3-4-2 впускные клапаны в первом цилиндре и выпускные клапаны в четвертом цилиндре открываются одновременно. Второй и третий клапаны будут закрыты.

Классификация или типы ГРМ

Двигатели могут иметь различные схемы привода клапанов. Рассмотрим следующую классификацию.

По расположению распределительного вала

Существует два типа положения распределительного вала:

• ниже;
• верхний.

В нижнем положении распределительный вал расположен в блоке цилиндров рядом с коленчатым валом. Кулачки передают усилие на рычаги клапанов через толкатели, при этом используются специальные рычаги клапанов. Это длинные стержни, которые соединяют толкатели внизу с коромыслами вверху. Нижнее расположение не считается самым благоприятным, но у него есть свои преимущества. В частности, распределительный вал более надежно крепится к коленчатому валу. Такая конструкция не используется в современных двигателях.

Нижнее положение распределительного вала и конструкция фаз газораспределения

В верхнем положении распределительный вал расположен в головке цилиндра (головке блока цилиндров) непосредственно над клапанами. В этом положении клапаны могут приводиться в действие толкателями, коромыслами или коромыслами. Эта конструкция проще, безопаснее и компактнее. Более широко используется положение распределительного вала.

По количеству распределительных валов

Рядные двигатели могут быть оснащены одним или двумя распределительными валами. Двигатели с одним распределительным валом обозначаются SOHC (Single Overhead Camshaft), а двигатели с двумя распределительными валами DOHC (Double Overhead Camshaft). Один распределительный вал отвечает за открытие впускных клапанов, а другой — за открытие выпускных клапанов. В V-образных двигателях используются четыре распределительных вала, по два на каждый цилиндр.

По количеству клапанов

Количество клапанов на цилиндр определяет форму распределительного вала и количество кулачков на нем. Клапанов может быть два, три, четыре или пять.

Самый простой вариант — два клапана: один впускной и один выпускной. В трехклапанном двигателе два работают на впуск, а один — на выпуск. С четырьмя клапанами: два на впуске и два на выпуске. С пятью клапанами: три на впуске и два на выпуске. Чем больше клапанов на впуске, тем больше объем топливно-воздушной смеси, поступающей в камеру сгорания. Это увеличивает мощность и динамику двигателя. Размер камеры сгорания и форма распределительного вала не позволяют установить более пяти. Наиболее распространенная схема — четыре клапана на цилиндр.

По типу привода

Существует три типа привода распределительного вала:

1. Шестерня. Этот привод возможен только тогда, когда распределительный вал находится в нижнем положении в блоке цилиндров. Коленчатый и распределительный валы приводятся в движение зубчатыми колесами (шестернями). Главное преимущество — надежность. Распределительные валы в головке блока цилиндров приводятся в движение цепями или ремнями.
2. Цепной привод. Такой привод считается более надежным. Однако при использовании цепочки требуются специальные предварительные условия. Для гашения вибраций устанавливаются зажимы, а цепь натягивается с помощью натяжителя. В зависимости от количества валов можно использовать несколько цепей.
   

   Цепь служит в среднем 150 000-200 000 километров.

   Основной проблемой цепного привода является натяжитель, направляющая цепи или обрыв цепи. Если натяжение слишком слабое, цепь может проскакивать между зубьями во время работы, что приведет к неправильной синхронизации.

   

   Натяжение цепи регулируется автоматически с помощью натяжителей. Они состоят из поршней, которые оказывают давление на так называемый натяжной башмак. Башмак давит непосредственно на цепь. Он состоит из дугообразного компонента, покрытого специальным покрытием. Внутри натяжителя находится поршень, пружина и резервуар для масла. Масло поступает в натяжитель и толкает цилиндр до необходимого уровня. Клапан закрывает масляный канал, а поршень постоянно поддерживает правильное натяжение цепи. Компенсаторы в цепи ГРМ работают по аналогичному принципу. Направляющая цепи поглощает остаточные вибрации, которые не устраняются башмаком. Это обеспечивает оптимальную и точную работу цепного привода.

   Самое худшее, что может случиться, — это разрыв цепи.

   Распределительный вал перестает вращаться, а коленчатый вал продолжает вращаться и двигать поршни. Нижние части поршней ударяют по клапанам, вызывая их деформацию. В самых тяжелых случаях может быть поврежден и блок цилиндров. Для предотвращения этого иногда используются двухрядные цепи. Если одна цепь порвется, другая будет продолжать работать. Водитель исправит ситуацию без последствий.

3. Ременная передача. Ременная передача не требует смазки, в отличие от цепной передачи.
   

   Запас ремней также ограничен и составляет в среднем 60-80 000 км пробега.

   Для улучшения тяги и надежности используются зубчатые ремни. Этот тип привода более прост. Если ремень порвется во время работы двигателя, это приведет к тем же последствиям, что и обрыв цепи. Основными преимуществами ременной передачи являются простота обслуживания и замены, низкая стоимость и бесшумная работа.

От всего клапанного механизма зависит правильная работа двигателя, его динамика и мощность. Чем больше число и объем цилиндров, тем сложнее клапанный механизм. Каждому водителю важно понимать этот механизм, чтобы вовремя обнаружить неисправность.