Газораспределительный механизм Википедия

Устройство газораспределительного механизма

Детали газораспределительного механизма выполняют разные функции:

• Распределительный вал открывает и закрывает клапаны.
• Механизм привода приводит распределительный вал в движение с определенной скоростью.
• Клапаны закрывают и открывают впускные и выпускные каналы.

Главными частями ГРМ являются распределительный вал и клапаны. Кулачковый, или распределительный, вал представляет собой элемент, на котором располагаются кулачки. Он приводится в движение и вращается на подшипниках. В момент такта впуска или выпуска кулачки, расположенные на вале, при вращении надавливают на толкатели клапанов.

Располагается механизм ГРМ на головке блока цилиндров. В ГБЦ имеются распределительный вал и подшипники от него, коромысла, клапаны и толкатели клапанов. Верхняя часть головки закрыта клапанной крышкой, установка которой осуществляется с использованием специальной уплотнительной прокладки.

Функционирование газораспределительного механизма

Работа ГРМ полностью синхронна с зажиганием и топливным впрыском. Проще говоря, в момент нажатия педали газа открывается дроссельная заслонка, впускающая поток воздуха во впускной коллектор. В результате образуется топливно-воздушная смесь. После этого начинает работать газораспределительный механизм.

Клапаны приводятся в действие распределительным валом двигателя. Когда повышается частота вращения коленвала, начинает быстрее вращаться и распредвал, что и повышает частоту открытия и закрытия клапанов. В результате возрастают обороты двигателя и отдача от него.

Объединение коленчатого и распределительного валов дает возможность ДВС сжигать именно то количество воздушно-топливной смеси, которое необходимо для функционирования двигателя в том или ином режиме.

Характеристики ГРМ

1. Сопротивление впускного и выпускного трактов, ограничивающее быстроходность и снижающее наполнение на более высоких оборотах. Определяется пропускными сечениями клапанов и патрубков, шероховатостью каналов, их изгибом, настройкой (инерционный наддув). При росте сопротивления пики максимума наполнения сдвигаются в область меньшего числа оборотов, что ограничивает мощность ДВС^[2].
2. Настройки фаз газораспределения (углы опережения открытия впускных и выпускных клапанов/золотников, углы запаздывания закрытия). Эти настройки позволяют частично компенсировать сопротивление впускных и выпускных трактов, сместив максимум наполнения цилиндров от нулевой частоты вращения (при нулевых углах) до частоты, заданной конструктором. Обычно, максимум наполнения соответствует максимуму крутящего момента. На рисунке представлены кривые, соответствующие VVT (1), тихоходной настройке (2), настройке примерно на 0,5 максимальной частоты вращения (3), и скоростной настройке (4)^[3].
3. Возможность получения компактной камеры сгорания (минимальных размеров) и низкой температуры в районе догорания топливной смеси (искровые ДВС). Это позволяет иметь меньше всего газов в области гашения пламени (что снижает выбросы), и получить высокую степень сжатия без детонации.
4. Простота, дешевизна, надёжность, габариты и масса. Влияют на стоимость и надёжность всего двигателя. Этим характеристикам описанные ниже схемы отвечают в различной степени.

Классификация механизмов газораспределения производится в зависимости от того, каким образом в них осуществляется управление впуском и выпуском. Обычно выделяют четыре типа механизмов управления впуском и выпуском — поршневые, золотниковые, клапанные и гильзовые.

Газораспределительным называется механизм, осуществляющий открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов двигателя.

Газораспределительный механизм (ГРМ) служит для своевременного впуска горючей смеси или воздуха в цилиндры двигателя и выпуска из цилиндров отработавших газов. В двигателях автомобилей применяются газораспределительные механизмы с верхним расположением клапанов.

Двигатели автомобилей могут иметь газораспределительные механизмы различных типов (рисунок 1), что зависит от компоновки двигателя и, главным образом, от взаимного расположения коленчатого вала, распределительного вала и впускных и выпускных клапанов. Число распределительных валов зависит от типа двигателя.

Рисунок 1 – Типы газораспределительных механизмов, классифицированных по различным признакам

При верхнем расположении распределительный вал устанавливается в головке цилиндров, где размещены клапаны. Открытие и закрытие клапанов производится непосредственно от распределительного вала через толкатели или рычаги привода клапанов. Привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала с помощью роликовой цепи или зубчатого ремня.

Верхнее расположение распределительного вала упрощает конструкцию двигателя, уменьшает массу и инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей механизма и обеспечивает высокую надежность и бесшумность его работы про большой частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Цепной и ременный приводы распределительного вала также обеспечивают бесшумную работу газораспределительного механизма.

При нижнем расположении распределительный вал устанавливается в блоке цилиндров рядом с коленчатым валом. Открытие и закрытие клапанов производится от распределительного вала через толкатели штанги и коромысла. Привод распределительного вала осуществляется с помощью шестерен от коленчатого вала.

При нижнем расположении распределительного вала усложняется конструкция газораспределительного механизма и двигателя. При этом возрастают инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей газораспределительного механизма. Число распределительных валов в газораспределительном механизме и число клапанов на один цилиндр зависят от типа двигателя.

Так, при большем числе впускных и выпускных клапанов обеспечивается лучшие наполнение цилиндров горючей смесью и их очистка от отработавших газов. В результате двигатель может развивать большие мощность и крутящий момент. При нечетном числе клапанов на цилиндр число впускных клапанов на один клапан больше, чем выпускных.

Замена газораспределительного механизма

Шкив привода распределительного вала находится за пределами ГБЦ. Для того чтобы не происходили утечки масла, на шейке вала расположен сальник. Цепь ГРМ приводит весь механизм газораспределения в действие и надевается с одной стороны на ведомую звездочку или шкив, а с другой передает усилие от коленчатого вала.

От ременного привода клапанов зависит корректное и неизменное расположение коленчатого и распределительного валов относительно друг друга. Даже небольшие отклонения в положении могут стать причиной того, что ГРМ, двигатель выйдут из строя.

Наиболее надежной считается цепная передача, использующая ролик ГРМ, однако существуют некоторые проблемы с обеспечением необходимого уровня натяжения ремня. Главной проблемой, с которой сталкиваются водители и которая характерна для цепи механизма, становится ее обрыв, нередко являющийся причиной загиба клапанов.

К числу дополнительных элементов механизма можно отнести ролик ГРМ, используемый для натяжения ремня. К минусам цепного привода газораспределительного механизма, помимо риска обрыва, относят еще и высокий уровень шума во время работы и необходимость его смены каждые 50-60 тысяч километров пробега.

В зависимости от конструктивных особенностей двигателя автомобиля и газораспределительного механизма в частности количество приводов и их тип могут меняться.

• Цепной привод. Нескольким ранее данный привод был самым распространенным, однако и сейчас используется в ГРМ дизеля. При такой конструкции распределительный вал располагается в головке блока цилиндров, а в движение приводится посредством цепи, ведущей от шестерни. Минус такого привода – сложный процесс замены ремня, поскольку находится он внутри двигателя с целью обеспечения постоянной смазки.
• Шестеренчатый привод. Устанавливался на двигатели тракторов и некоторых автомобилей. Очень надежный, но при этом крайне сложен в обслуживании. Распределительный вал такого механизма находится ниже блока цилиндров, благодаря чему шестерня распредвала цепляется за шестерню коленчатого вала. Если привод ГРМ такого типа приходил в негодность, двигатель меняли практически полностью.
• Ременной привод. Самый популярный тип, устанавливается на бензиновые силовые агрегаты в легковых автомобилях.

Ременной привод получил свою популярность за счет своих преимуществ по сравнению с аналогичными видами приводов.

• Несмотря на то что производство таких конструкций сложнее, чем цепных, стоит она значительно дешевле.
• Не требует постоянной смазки, благодаря чему привод был вынесен на внешнюю сторону силового агрегата. Замена и диагностика ГРМ в результате этого значительно облегчились.
• Поскольку в ременном приводе металлические части не взаимодействуют друг с другом, как в цепном, то уровень шума в процессе его работы снизился в разы.

Несмотря на большое количество плюсов, есть у ременного привода и свои минусы. Срок эксплуатации ремня в несколько раз ниже, чем цепи, что становится причиной частой его замены. В случае обрыва ремня с большой вероятностью придется делать ремонт всего двигателя.

Полная замена ремня производится каждые 50-70 тысяч километров пробега автомобиля. Ее могут проводить и чаще в случае повреждения или появления следов расслоения и трещин.

В зависимости от типа ГРМ меняется и сложность процедуры замены ремня. На сегодняшний день в автомобилях используются два типа механизма газораспределения – с двумя (DOHC) или одним (SOHC) распределительными валами.

Для того чтобы провести замену ремня ГРМ типа SOHC, достаточно иметь под рукой новую деталь и набор отверток и ключей.

Сперва снимается защитный чехол с ремня. Крепится он либо на защелки, либо на болты. После снятия чехла открывается доступ к ремню.

Прежде чем ослаблять ремень, выставляются метки ГРМ на шестерне распредвала и коленвале. На коленчатом вале метки размещаются на маховике. Вал проворачивают до тех пор, пока метки ГРМ на корпусе и на маховике не совпадут друг с другом. Если все метки совпали друг с другом, приступают к ослаблению и снятию ремня.

Для того чтобы снять ремень с шестерни коленчатного вала, необходимо демонтировать шкив привода ГРМ. С этой целью автомобиль поднимается домкратом и с него снимается правое колесо что дает доступ к болту шкива. На некоторых из них находятся специальные отверстия, через которые можно зафиксировать коленвал.

Доступ к ремню ГРМ полностью открывается, и можно приступать к его снятию и замене. Новый одевается на шестерни коленвала, затем цепляется за водяной насос и одевается на шестерни распредвала. За натяжной ролик ремень заводят в самую последнюю очередь. После можно возвращать все элементы на место в обратном порядке. Останется только натянуть ремень при помощи натяжителя.

Прежде чем запускать двигатель, желательно провернуть несколько раз коленчатый вал. Делают это для проверки совпадения меток и после проворачивания вала. Только после этого запускается двигатель.

На автомобиле с системой DOHC ремень ГРМ заменяется немного по-другому. Сам принцип смены детали аналогичен вышеописанному, однако доступ к ней у таких машин сложнее, поскольку имеются закрепленные на болтах защитные чехлы.

В процессе совмещения меток стоит помнить о том, что распределительных валов в механизме два, соответственно, метки на обоих должны полностью совпасть.

У таких автомобилей, помимо направляющего ролика, имеется и опорный ролик. Однако, несмотря на наличие второго ролика, ремень заводится за направляющий ролик с натяжителем в самую последнюю очередь.

После того как новый ремень будет установлен, проверяется соответствие меток.

Одновременно с заменой ремня меняются и ролики, поскольку их срок эксплуатации совпадает. Также желательно проверить состояние подшипников жидкостного насоса, чтобы после проведения процедуры установки новых деталей ГРМ выход из строя помпы не стал неприятной неожиданностью.

С поршневым управлением газораспределения

Механизм газораспределения с поршневым управлением впуском и выпуском (он же — оконный газораспределительный механизм) применяется на двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой. В нём фазы газораспределения задаются за счёт осуществляемого непосредственно поршнем открытия и закрытия окон в стенке цилиндра.

Впускное окно обычно открывается при положении коленчатого вала, в котором поршень не доходит 40—60° до нижней мёртвой точки (по углу поворота коленвала), а закрывается спустя 40—60° после её прохождения, что даёт достаточно узкую фазу впуска — не более 130—140°.

На высокофорсированных спортивных моторах открытие впускного окна может производиться за 65—70° до НМТ, что расширяет фазу впуска, но при этом работа двигателя на малых и средних оборотах становится неустойчивой, значительно увеличивается непроизводительный расход топлива из-за обратного выброса топливной смеси в атмосферу.

Выпускное окно открывается примерно за 80-85° до достижения поршнем нижней мёртвой точки, а закрывается спустя 80-85° после её прохождения, что даёт длительность фазы выпуска около 160—165°. Фаза продувки имеет длительность около 110…125°.

Симметричность фаз газораспределения при поршневом управлении впуском и выпуском обусловлена тем, что взаимное расположение поршня и окон в стенке цилиндра одинаково как при ходе вверх, так и при ходе вниз. Это является недостатком, поскольку для оптимальной работы двигателя как минимум фаза впуска должна быть асимметрична, что при чистом поршневом управлении газораспределением недостижимо.

В двухтактных двигателях большого объёма (тепловозные, морские, авиационные, танковые) либо на один цилиндр два поршня, движущихся навстречу друг другу, один из которых открывает впускные окна, а второй — выпускные (прямоточная продувка), либо через окна в стенке цилиндра производится только впуск, а выпуск осуществляется с помощью клапана в головке цилиндров (клапанно-щелевая продувка), при этом также достигается более оптимальная продувка.

В роторно-поршневых двигателях также как правило используется управление газораспределением поршнем (ротором), играющим в данном случае роль золотника.[4]

Механизм газораспределения с поршневым управлением впуском и выпуском (он же — оконный газораспределительный механизм) применяется на двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой. В нём фазы газораспределения задаются за счёт осуществляемого непосредственно поршнем открытия и закрытия окон в стенке цилиндра.

В двухтактных двигателях большого объёма (тепловозные, морские, авиационные, танковые) либо на один цилиндр два поршня, движущихся навстречу друг другу, один из которых открывает впускные окна, а второй — выпускные (прямоточная продувка), либо через окна в стенке цилиндра производится только впуск, а выпуск осуществляется с помощью клапана в головке цилиндров (клапанно-щелевая продувка), при этом также достигается более оптимальная продувка.

В роторно-поршневых двигателях также как правило используется управление газораспределением поршнем (ротором), играющим в данном случае роль золотника.[4]

С клапанным управлением газораспределением

Управление газораспределением осуществляется при помощи тарельчатых клапанов, как правило имеющих привод от распределительного вала. Эта система наиболее распространена на современных четырёхтактных двигателях, а также мощных двухтактных (с клапанно-щелевой продувкой, имеются только выпускные клапана).

В данной конструкции ГРМ используется клапан, состоящий из тарелки (головки) и стержня (стебля), который служит для открытия и закрытия впускных и выпускных каналов. Главное преимущество тарельчатого клапана, позволившее ему достичь преимущественного распространения в данной области — простота обеспечения герметичности: под воздействием давления в камере сгорания его тарелка плотно прижимается к седлу, поэтому для исключения утечки газов вполне достаточно тщательно притереть эти детали друг к другу, причём усилие, создаваемое давлением в камере сгорания, направлено по оси стержня клапана и не мешает ему перемещаться вдоль направляющей.

При открытии клапана он смещается относительно седла на расстояние, называемое высотой подъёма клапана. При этом открывается определённое проходное сечение, определяемое величиной высоты подъёма, размерами и формой клапана. В большинстве случаев впускные клапана имеют большее проходное сечение, чем выпускные.

Ранее, примерно до 1950-х годов, клапаны обычно изготавливали из обычной углеродистой или низколегированной инструментальной стали (например, хромистой 40Х), однако по мере совершенствования двигателей и повышения их степени форсирования появилась необходимость применения как минимум для выпускных клапанов, температура которых может достигать 600—850 °С, специальных легированных жаростойких сталей, например сильхромовой (40Х10С2М / ЭИ107, 40Х9С2 / ЭСХ8), X45CrNiW189, X53CrMNi219, и т. п.

Впускные клапана обычно имеют температуру не выше 300—400 °С и выполняются из хромистой, хромованадиевой или хромоникелевой сталей. Иногда с целью удешевления из жаростойкой стали изготавливается только тарелка (головка) клапана, а стержень — из обычной инструментальной, также на тарелках выпускных клапанов иногда может производиться дополнительная наплавка слоя твёрдого жаростойкого сплава, повышающего срок службы клапана.

В двигателях с большой тепловой напряжённостью камеры сгорания могут применяться клапана с полыми стержнями, заполненными натрием — при работе двигателя натрий плавится и, испаряясь, улучшает теплоотвод от клапана. В последнее время могут использоваться клапана из титановых сплавов, сочетающие жаростойкость с лёгкостью, что позволяет уменьшить инерцию деталей ГРМ.

Тарелка (головка) клапана может иметь плоскую (Т-образную), выпуклую или тюльпанообразную (обтекаемую, с плавным переходом к стержню) форму. Клапана с выпуклой головкой иногда используются в качестве выпускных благодаря большой жёсткости и лучшей обтекаемости со стороны цилиндра, что особенно актуально в нижнеклапанном моторе.

Тюльпанообразные клапана ранее часто устанавливались на впуске при большом диаметре клапана, так как считалось, что обтекаемая форма головки снижает сопротивление потоку воздуха, но впоследствии, примерно с 1980-х годов, от их использования отказались, так как они не давали значительного эффекта, или даже при той же величине подъёма ухудшали наполнение цилиндров по сравнению с обычными, при большей сложности изготовления.

Головка клапана имеет коническую рабочую поверхность — запорную фаску, плотно притёртую к ответной фаске седла (гнезда) клапана. Фаска на головке клапана выполняется под углом 30° или 45°. Фаска в 45° даёт меньшее проходное сечение при том же подъёме, чем фаска в 30°, однако облегчает центровку клапана в седле и способствует повышению его жёсткости, поэтому 30-градусная фаска применяется ограниченно, обычно на впускных клапанах высокофорсированных и спортивных двигателей.

В некоторых случаях может применяться двойная фаска. Фаска подвергается шлифовке, а затем плотно притирается к седлу (гнезду). На нижнем (хвостовом) конце стержня клапана выполняются кольцевые проточки, предназначенные для крепления тарелок клапанных пружин, обычно осуществляемого при помощи конических сухарей (реже — поперечной шпилькой или на резьбе).

Иногда для повышения срока службы клапана тарелка клапанной пружины оснащается упорным подшипником, допускающим свободное вращение клапана вокруг своей оси при работе двигателя. Ранее на хвостовой части стержня клапана иногда также выполняли кольцевую выточку под предохранительное кольцо, не дающее клапану провалиться в цилиндр, если лопнет его пружина или произойдёт случайное выпадение сухарей при работе двигателя.[7][8]

Сёдла (гнёзда) клапанов выполняются либо непосредственно в материале блока цилиндров (у нижнеклапанных моторов) или головки цилиндров, либо в виде запрессованных в них отдельных деталей из легированного чугуна, бронзы или жаростойкой стали (только выпускных клапанов, либо и впускных, и выпускных), иногда с наплавкой износостойкого кобальтового сплава типа сормайт.

[7] Обычно седло имеет одну фаску с углом в 45°, или две фаски — верхнюю с углом в 30°, служащую переходом от основной фаски к стенке камеры сгорания, и основную в 45°. Иногда выполняется также нижняя фаска с углом порядка 60°, применение которой снижает сопротивление седла потоку воздуха.

Направляющие втулки клапанов служат для обеспечения их точной посадки в сёдла, изготавливаются из чугуна, алюминиевой бронзы или металлокерамических антифрикционных композиций (бронзографитовой и других). Для уменьшения расхода масла через зазор между направляющей клапана и его стержнем либо на сам стержень клапана одевается маслоотражательный колпачок из маслостойкой резины, либо на его направляющую устанавливается сальник с кольцевой пружинкой (маслосъёмный колпачок).[7][8]

Клапанные пружины обеспечивают закрытие клапана и его плотную посадку в седло, воспринимают усилия, возникающие при работе ГРМ. При сборке клапанного механизма пружина получает предварительную затяжку, величина которой является важным параметром, влияющим на качество работы двигателя.

Если пружина в засухаренном состоянии не развивает должного усилия, указанного в технической документации — возникают отставание («подвисание») и подскакивание клапана при его закрытии, нарушающие фазы газораспределения и ухудшающие наполнение цилиндров горючей смесью, из-за чего двигатель не будет развивать полной мощности и не обеспечит паспортных динамических характеристик автомобиля.

При полностью закрытом клапане остаточной силы пружины должно хватать для удержания контакта между кулачком распределительного вала и контактирующей с ним деталью ГРМ (толкателем, коромыслом, рокером), что позволяет сохранить заданную конструкторами продолжительность открытия клапана и устранить ударные нагрузки в приводе клапанов, быстро выводящие его из строя.

Как правило, клапанные пружины изготавливаются из легированной высокоуглеродистой стали (марганцовистой, кремнемарганцовистой, хромоникелеванадиевой) холодной навивкой с последующими термообработкой и дробеструйным наклёпом для повышения срока службы.

Иногда применяются по две пружины на клапан, расположенные одна внутри другой, причём наружная и внутренняя пружина имеют разное направление витков для предотвращения заклинивания внутренней пружины витками внешней. Применение таких сдвоенных пружин позволяет несколько уменьшить габариты узла за счёт меньшей общей высоты двух пружин по сравнению с одинарной при том же усилии, а также служит в качестве страховки на случай поломки одной из пружин, тем самым повышая надёжность и безотказность работы двигателя. Также иногда клапанная пружина может устанавливаться не на самом клапане, а в толкателе (пример — дизель ЯАЗ-204).[7]

В очень редких случаях вместо винтовых клапанных пружин могут применяться торсионные в виде работающих на скручивание стержней (некоторые моторы фирмы Panhard, также некоторые мотоциклетные двигатели Honda), плоские, спиральные или витые шпилечные пружины (некоторые мотоциклетные двигатели)[источник не указан 29 дней].

В большинстве случаев в клапанном механизме для управления клапанами используется выполненный из чугуна или легированной стали кулачковый распределительный вал, имеющий опорные шейки, служащие для установки вала в подшипниках его постели, и кулачки с различным профилем, определяющим фазы газораспределения двигателя.

Обычно на один цилиндр приходится по два кулачка распределительного вала (один впускной и один выпускной), однако встречаются и иные варианты. Кроме того, распределительных валов может быть более одного. Привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала двигателя, причём у четырёхтактных моторов его частота обращения равна половине частоты обращения коленчатого вала, а у двухтактных — равна ей.

С золотниковым управлением газораспределением

В двухтактных двигателях

Золотниковое газораспределение было применено ещё на двухтактном газовом двигателе Ленуара, считающемся первым в мире коммерчески успешным двигателем внутреннего сгорания (1859 год). Его газораспределительный механизм с двумя коробчатыми золотниками был полностью скопирован с парораспределительного механизма паровых машин, причём при помощи золотников осуществлялся как впуск газовоздушной рабочей смеси, так и выпуск отработанных газов.

Применение золотникового газораспределения на лёгких двухтактных двигателях современного типа (с кривошипно-камерной продувкой) прослеживается как минимум с 1920-х годов, однако по-настоящему удачная реализация этого принципа была осуществлена лишь в начале 1950-х годов восточногерманским инженером Даниэлем Циммерманом на спортивно-гоночных мотоциклах MZ, а затем в 1960-х — 70-х годах схожие решения стали появляться и на некоторых серийных мотоциклах марок Jawa, Yamaha, Suzuki, Kawasaki и других.

На двухтактных моторах с золотниковым управлением газораспределением для управления впуском используется золотник с приводом от коленчатого вала — вращающийся дискового или цилиндрического (кранового) типа либо имеющий возвратно-поступательное движение пластинчатого типа.

Золотник тем или иным образом осуществляет открывание и закрывание впускного канала двигателя, управляя тем самым длительностью впуска. Благодаря этому удаётся сделать фазу впуска асимметричной относительно НМТ (как правило, начинается за 130—140° до НМТ и заканчивается за 40—50° после) и увеличить её длительность до 180—200°, тем самым улучшив наполнение цилиндра.

Некоторые варианты реализации золотникового управления газораспределением позволяют даже изменять фазы газораспределения непосредственно во время работы двигателя. Выпуском как правило продолжает управлять поршень, открывающий выпускное окно (окна).

С аналогичной целью во впускном тракте двигателя может устанавливаться автоматически срабатывающий на перепад давления клапан лепесткового или мембранного типа (Yamaha и др.).

В начале 1950-х годов на пермском моторостроительном заводе № 19 под руководством В. В. Полякова были разработаны и выпущены небольшой серией двухтактные пятицилиндровые звездообразные авиамоторы ВП-760, ВП-1300 и ВП-2650 с газораспределением установленным в картере вращающимся золотником и продувкой двухступенчатыми поршнями в форме перевёрнутой буквы Т (узкая часть рабочая, широкая — нагнетательная), которые предназначались для применения в легкомоторной авиации.[5][6]

Опыты с газораспределением вращающимся золотником велись в начале 1990-х годов фирмой Lotus применительно к двухтактному автомобильному двигателю с продувкой от приводного компрессора, причём, в отличие от обычного двухтактного двигателя с клапанно-щелевой продувкой, свежий воздух подавался в верхнюю часть цилиндра через золотник, а отработавшие газы удалялись через окна в нижней части цилиндра (у обычного двигателя с клапанно-щелевой продувкой воздух подаётся через окна в средней части цилиндра, а газы удаляются через клапан в головке блока).

Золотник имел вид постоянно вращающегося вокруг своей оси полого цилиндра — ротора — с окнами в стенках, внутри которого располагался также имевший вид полого цилиндра статор с продольной перегородкой, поворот которого относительно ротора, осуществляемый электронной системой, управлял фазами газораспределения.

Такое устройство газораспределения позволило вместо обычно используемого на дизелях с клапанно-щелевой продувкой непосредственного впрыска использовать более дешёвый вариант системы питания, с форсункой низкого давления, распыляющей топливо внутрь золотника, откуда рабочая смесь вдувалась внутрь цилиндра через впускное окно.

В четырёхтактных двигателях

Золотниковое газораспределение с коробчатыми, поршневыми или вращающимися (крановыми) золотниками, так или иначе связанными с распределительным валом и осуществляющими открытие и закрытие впускных и выпускных окон, использовалось на некоторых четырёхтактных двигателях, но не получило широкого распространения из-за целого ряда трудностей на пути практической реализации данного принципа, в частности — проблемы с уплотнением золотников, особенно работающего на выпуск и в силу этого находящегося под большим давлением горячих отработанных газов.

Газораспределение коробчатым золотником, аналогичным золотникам паровых машин, было применено ещё на первом в мире четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания, сконструированном Н. Отто (1861 год), и достаточно широко использовалось на тихоходных стационарных двигателях XIX — самого начала XX века.

Управление газораспределением имеющими возвратно-поступательное движение поршневыми золотниками является фактически стандартным на паровых машинах и мощных поршневых насосах, некоторые конструкторы пытались приспособить его и к двигателю внутреннего сгорания, однако без большого успеха — перемещение золотника оказывалось весьма затруднено из-за большого давления газов, создававшего огромную силу трения между золотником и стенками золотниковой коробки, не говоря уже о проблемах с прорывом газов через уплотнения.

Несколько больший успех выпал на долю газораспределительных механизмов с вращающимся (крановым) золотником. Этот вариант газораспределения привлекал конструкторов благодаря бесшумности работы по сравнению с обычными тарельчатыми клапанами (стук которых при работе ГРМ был большой проблемой для двигателей начала XX века), возможности получить потенциально более высокую пропускную способность по сравнению с клапанным газораспределением и упростить ГРМ за счёт использования одного золотника на цилиндр, работающего и на впуск, и на выпуск, или даже одного на каждую пару цилиндров, а также устранить из камеры сгорания один из наиболее опасных очагов детонации — выпускной клапан (что, опять же, было весьма актуально в начале XX века, когда доступное топливо имело очень низкое октановое число).

Первый патент на газораспределение вращающимся золотником был получен британской фирмой Crossley в середине 1880-х годов. Основанные на нём тихоходные газовые двигатели пользовались популярностью в качестве стационарных и выпускались этой фирмой с 1886 по 1902 год.

Пик популярности данной конструкции в автомобильных двигателях пришёлся на начало 1910-х годов, когда, следуя последней моде, свои варианты золотникового газораспределения представил целый ряд фирм, выпускавших дорогостоящие автомобили, таких, как Itala (Италия, 1911), Darraq (Франция, 1912), впоследствии Minerva (Бельгия, 1925).

Сравнительно удачные конструкции двигателей с газораспределением коническим вращающимся золотником создавались британцами Р. Кроссом и Ф. Аспином в 1930-х — 1950-х годах, находили применение на гоночных автомобилях, однако в массовое производство так и не попали, в том числе — из-за нерешённых проблем с уплотнением и смазкой золотника.

В те же годы экспериментировал с золотниковым газораспределением германский инженер Ф. Ванкель в сотрудничестве с фирмами BMW, DVL, Daimler-Benz, Lilienthal и Junkers, однако, не добившись решительного успеха, он переключился на работу над проектом роторно-поршневого двигателя, в чём весьма преуспел.

В 1950-х годах в СССР были построены опытные двигатели с золотниковым газораспределением на базе серийных моторов «Москвич-400» (4-цил.) и ЗИС-120 (6-цил.), имевшие крановые золотники, установленные в головке блока и вращающиеся вокруг оси, параллельной оси коленчатого вала.

По сравнению с нижнеклапанными, двигатели с золотниковым газораспределением имели лучшую наполняемость цилиндров и, соответственно, более высокую удельную мощность — например, на двигателе «Москвича» прибавка в мощности по сравнению с серийным составила 8 %.

Однако при этом ощутимо увеличивался расход масла из-за проблем с уплотнением золотника, двигатель работал с заметным дымлением. Кроме того, в конце такта сжатия и во время рабочего хода поршня золотник испытывал большое трение из-за давления на него уплотняющего башмака, находящегося под давлением выхлопных газов, что значительно повышало потери на трение, а на шестицилиндровом двигателе даже привело к обрыву трёхрядной цепи привода ГРМ в ходе испытаний. Обеспечить требуемый моторесурс двигателям с золотниковым газораспределением так и не удалось.[4]

Примерно тогда же британская фирма Norton выпустила некоторое количество гоночных мотоциклов с золотниковым газораспределением, но в 1954 году полностью прекратила работы в этом направлении.

Необычный автомобильный двигатель с Х-образным расположением цилиндров и газораспределением вращающимися золотниками разработала в середине 1970-х годов компания Esso, которая привлекла к работам Р. Кросса, однако двигатель не показал значительных преимуществ перед традиционными[источник не указан 29 дней].

Разновидностью золотникового иногда считают гильзовое газораспределение, рассмотренное отдельно ниже по тексту.

Золотниковое газораспределение было применено ещё на двухтактном газовом двигателе Ленуара, считающемся первым в мире коммерчески успешным двигателем внутреннего сгорания (1859 год). Его газораспределительный механизм с двумя коробчатыми золотниками был полностью скопирован с парораспределительного механизма паровых машин, причём при помощи золотников осуществлялся как впуск газовоздушной рабочей смеси, так и выпуск отработанных газов.

Управление этапами газораспределения

Современные модели двигателей претерпели значительные изменения, получив новые управляющие системы, в основе которых лежат микропроцессоры – так называемые ЭБУ. В сфере моторостроения основной задачей стало не только увеличение мощности, но и экономичность выпускаемых силовых агрегатов.

Повысить эксплуатационные показатели двигателей, снизив при этом расход топлива, удалось только с использованием систем контроля ГРМ. Двигатель с такими системами не только потребляет меньше топлива, но и не теряет в мощности, благодаря чему их стали использовать повсеместно при производстве автомобилей.

Принцип работы таких систем заключается в том, что они контролируют скорость вращения распределительного вала ГРМ. По сути, клапаны открываются немного раньше за счет того, что распредвал проворачивается в направлении вращения. Собственно, в современных двигателях распределительный вал больше не вращается относительно коленчатого вала с неизменной скоростью.

Основной задачей остается максимально эффективное наполнение цилиндров двигателя в зависимости от выбранного режима его работы. Такие системы отслеживают состояние двигателя и корректируют подачу топливной смеси: к примеру, при холостом ходе ее объемы сводятся практически к минимуму, поскольку топливо в больших количествах не требуется.

Последствия обрыва или ослабления ремня ГРМ

В случае если цепь ГРМ рвется, повышается уровень шума во время работы двигателя. В целом такая неприятность не становится причиной чего-то невыполнимого в плане ремонта, в отличие от ремня газораспределительного механизма. При ослаблении ремня и его перескакивании через один зуб шестерни происходит небольшое нарушение нормального функционирования всех систем и механизмов.

Самый безобидный вариант – это столкновение поршня и клапана. Силы удара будет достаточно для изгиба клапана. Иногда ее хватает для изгиба шатуна или полного разрушения поршня.

Одной из самых серьезных поломок автомобиля является обрыв ремня ГРМ. Двигатель в таком случае придется либо подвергать капитальному ремонту, либо полностью менять.

Обслуживание ремня ГРМ

Уровень натяжения ремня и его общее состояние – один из самых часто проверяемых при техническом обслуживании автомобиля факторов. Периодичность проверки зависит от конкретной марки и модели машины. Процедура контроля натяжения ремня ГРМ: двигатель осматривается, снимается защитный чехол с ремня, после чего последний проверяется на скручивание.

При техобслуживании автомобиля визуальный осмотр ремня доступен даже неопытным автолюбителям. Труднее определить растяжение цепного привода. Если на ремне видны трещины, значительные потертости, нитки корда, замена детали обязательна. Проверить натяжение ремня можно поворотом плоскости пальцами на 90 градусов.

Опытные владельцы машин, обладающие опытом ремонта, проводят замену ремня самостоятельно. Тонкими моментами операции становится совмещение меток шестерней валов (коленчатого, распределительного) с прорезями кожуха привода, определение пригодности натяжных роликов к дальнейшей эксплуатации, правильная регулировка натяжения.

При выборе зубчатого ремня для замены, кроме соответствия размеров, нужно обращать внимание на материал привода. Лучшими считаются ремни из композитных материалов (тяговый слой из арамида, полиэстера, полиамида, наружное покрытие бутадиен-нитрильным каучуком). Такие производители зубчатых ремней как ContiTech, «Бош», Dayco, Habasit гарантируют для своей продукции:

• износостойкость;
• малую шумность;
• высокие показатели эластичности, прочности на разрыв;
• способность работать при повреждениях (незначительных трещинах, потертостях).

Операции измерения теплового зазора, диагностику направляющих втулок (определение зазора между клапанами и втулками) нужно доверить специалистам. Для этого требуется разборка ГРМ, использование специальных измерителей. Обращения в автосервис не избежать при сбоях фаз газораспределения (требующих регулировки), текущих ремонтах седел клапанов, заменах распределительных шестерен, направляющих втулок.

Основные работы:

• проверка стабильности состояния и подтягивание креплений (крепежные работы) опоры двигателя к раме, головки цилиндров и поддона картера к блоку, фланцев впускного и выпускного трубопроводов и других соединений;
• проверка технического состояния или работоспособности (контрольные работы) кривошипно-шатунного и распределительного механизмов;
• регулировочные работы и смазка.

Крепежные работы

Для предотвращения пропуска газов и охлаждающей жидкости через прокладку головки цилиндров необходимо периодически проверять крепление головки ключом с динамометрической рукояткой с определенным усилием и последовательностью. Момент затяжки и последовательность подтягивания гаек устанавливают автомобильные заводы.

Чугунную головку цилиндров крепят, когда двигатель находится в нагретом состоянии, а головку из алюминиевого сплава – в холодном.

Необходимость подтягивания крепления головок из алюминиевого сплава в холодном состоянии объясняется неодинаковым коэффициентом линейного расширения материала болтов и шпилек (сталь) и материала головки (алюминиевый сплав). Поэтому подтягивание гаек на горячем двигателе не обеспечивает после его остывания необходимой плотности прилегания головки цилиндров к блоку.

Затяжку болтов крепления поддона картера во избежание деформации картера, нарушения герметичности проверяют также с соблюдением последовательности, т.е. поочередным подтягиванием диаметрально противоположных болтов.

Контроль состояния КШМ и ГРМ

Техническое состояние этих механизмов можно определять:

• по расходу (угару) масла в эксплуатации и падению давления в системе смазки;
• по изменению давления (компрессии) в цилиндрах двигателя в конце хода сжатия;
• по разрежению во впускном трубопроводе;
• по количеству газов, прорывающихся в картер двигателя;
• по утечке газов (воздуха) из цилиндров;
• наличию стуков в двигателе.

Угар масла в малоизношенном двигателе незначителен и может составлять 0,1-0,25 л/100 км пробега. При значительном общем износе двигателя угар может достигать 1л/100 км и более, что обычно сопровождается сильным дымлением.

Давление в масляной системе двигателя должно быть в пределах, установленных для данного типа двигателя и применяемого сорта масла. Снижение давления масла на малых оборотах коленчатого вала прогретого двигателя указывает на наличие недопустимых износов подшипников двигателя или неисправности в системе смазки.

Падение давления масла по манометру до 0 указывает на неисправность манометра или редукционного клапана.

Повышенное давление в системе смазки может возникнуть в результате большой вязкости или засорения масляной магистрали.

Компрессия служит показателем герметичности цилиндров двигателя и характеризует состояние цилиндров, поршней и клапанов. Герметичность цилиндров может быть определена компрессометром.

Компрессию проверяют после предварительного прогрева двигателя до 70-80 ºС при вывернутых свечах. Установив резиновый наконечник компрессометра в отверстие свечи, провертывают стартером коленчатый вал двигателя на 10-12 оборотов и записывают показания компрессометра. Проверку повторяют 2-3 раза для каждого цилиндра.

Если величина компрессии на 30-40 % ниже нормы, это указывает на наличие неисправностей (поломку или пригорание поршневых колец, негерметичность клапанов или повреждение прокладки головки цилиндров).

Разрежение во впускном трубопроводе двигателя замеряют вакуумметром. Величина разрежения у работающего на установившемся режиме двигателей может изменяться не только от изношенности цилиндро-поршневой группы, но и от состояния деталей газораспределения, установки зажигания и регулировки карбюратора.

Таким образом, данный метод контроля является общим и не позволяет выделить ту или иную неисправность по одному показателю.

Количество газов, прорывающихся в картер двигателя, изменяется в результате неплотности сопряжений цилиндр-поршень-поршневое кольцо, увеличивающейся по мере изнашивания указанных деталей. Количество прорывающихся газов замеряют при полной нагрузке двигателя.

Источник информации Сайт:      http://autonotes.info/grm-gazoraspredelitelnyj-mexanizm/