Газораспределительный механизм

Системы фаз газораспределения

 Регулировка фаз: Распределительный вал регулируется специальной системой. Это позволяет регулировать время открытия и закрытия клапанов.

Современные бензиновые двигатели часто имеют систему регулировки распредвала (система фаз газораспределения Variable Valve Timing, VVT). Эта система позволяет достичь соответствия современным экологическим нормам, принятым Евросоюзом и рядом других стран. Благодаря этой системе происходит адаптация синхронизации распредвала в соответствии с текущей ситуацией вождения. Например, во время остановки машины и работы двигателя на холостом ходу система регулировки распредвала настраивает систему газораспределения двигателя на более эффективную работу, чтобы снизить расход топлива и, соответственно, уменьшить уровень вредных веществ, выпускаемых через выхлопную систему автомобиля.

На мощных двигателях система фаз газораспределения, как правило, общая как на стороне всасывания, так и на стороне выхлопа. Регулировка распределительного вала в основном состоит из гидравлической системы регулировки и регулирующего клапана. Благодаря этой системе фазы газораспределения. Например, на разных режимах работы двигателя требуется разная величина фаз газораспределения. Так, при работе двигателя на холостом ходу фазы должны быть короткими. На высоких оборотах фазы должны быть более широкими.

В итоге двигатели с изменяемыми фазами газораспределения постоянно меняют работу распредвала в зависимости от режима движения. 

Помимо гидравлической системы регулирующие фазы газораспределения, система Variable Valve Timing, VVT регулирует работу двигателя с помощью датчиков на коленчатом валу и с помощью информации о вращении распредвала. 

Одним из самых известных типов регулировки распределительного вала является система «Vario Cam» от Porsche (теперь «Vario Cam Plus»). Натяжитель цепи действует как регулировочный элемент, который поднимает или опускает звенья цепи между двумя распредвалами (DOHC) в зависимости от частоты вращения двигателя. В этой системе давление масла имеет решающее значение. 

Еще одна известная система регулировки распредвала была представлена компанией Тойота в начале 2000-х годов. Она называется VVTL-i (система с изменяемым временем работы клапанов).

Здесь помимо фазировки распределительного вала может изменяться ход клапанов через распредвал. Функцию регулировки подъема клапанов автопроизводители видят по-разному. Например, некоторые автопроизводители реализуют работу клапанов через переменные углы отклонения. Другие же (Porsche Vario Cam Plus) используют специальные по конструкции кулачки в сочетании с многоточечными толкателями. 

Honda использует, например, разные по размеру кулачки (i-VTEC), которые в сочетании с переключаемыми коромыслами позволяют изменять подъем клапана в два этапа.

Вот как работает эта система с изменяемыми фазами газораспределения:

Виды

Что же касается разновидностей распределительных валов двигателя, то их классифицируют в зависимости от расположения и количества на двигателе внутреннего сгорания. Распредвал является ключевым компонентом газораспределительного механизма и всего двигателя. В зависимости от того, как располагается этот элемент, выделяют 2 варианта:

• с нижним расположением;
• с верхним размещением.

Отсюда и разделение моторов внутреннего сгорания с верхним и нижним распредвалов. Когда-то нижнее расположение считалось лучшим и самым оптимальным для автомобильных двигателей. Но они были актуальными до 50-х годов прошлого века. Именно тогда все моторы создавались нижнеклапанного типа. Потому и распределительный вал находился снизу силовой установки. Тарелки клапанов размещались так, что они смотрели вверх. Подобная схема изготовления моторов объяснялась тем, что это проще и дешевле в плане производства. При этом страдал фактор производительности, о чём инженеры догадались несколько позже, когда появился новый вариант размещения распределительного вала. Учитывая объективные недостатки, от старой схемы с нижним расположением постепенно начали отказываться. Ему на смену пришла уже классическая и привычная схема с головкой блока цилиндров и установленными в ней клапанами и распределительным валом. Теперь клапана начали открываться вниз, а схема получила верхнее расположение распредвала.

Хотя нельзя отрицать тот факт, что даже на некоторых современных двигателях продолжают использовать нижневальную систему, где клапана располагаются сверху. Только она значительно усовершенствовалась по сравнению с предшественниками, а потому имеет полное право на существование при грамотной реализации. Двигатели с нижним расположением распределительного вала отличаются тем, что здесь дополнительно предусматривается установка специальных штанг. Они применяются для компенсации расстояния, которое имеется между кулачками распредвала и толкателями клапанов, находящихся в головках цилиндров. Даже несмотря на наличие современных нижневальных двигателей внутреннего сгорания, они считаются устаревшей схемой, а потому большинство автопроизводителей уже давно не используют её в производстве своих силовых агрегатов. Такие методы размещения требуют дополнительных мер, они характеризуются внушительными технологическими ограничениями, не позволяют развивать высокие обороты.

Количество валов

Отдельно рассматриваются виды двигателей в зависимости от того, сколько распределительных валов предусмотрено в их конструкции. Если заглянуть в подкапотное пространство современного силового агрегата, можно встретить несколько вариантов:

• Газораспределительные механизмы (ГРМ), оснащённые только одним распредвалом;
• ГРМ, конструкция которых включает пару распределительных валов;
• Двигатели, где используется более 2 распредвалов.

Именно первые два типа двигателей внутреннего сгорания, где газораспределительный механизм включает 1 или 2 распредвала, являются наиболее популярными и распространёнными. Зачастую количество распредвалов зависит напрямую от количества клапанов на цилиндр. Если у двигателя конструкция предусматривает от 3 и более клапанов, которые приходятся на 1 цилиндр, то здесь скорее всего будет использовать двухраспредвальная схема. Несмотря на наличие таких правил и закономерностей, исключения встречаются всегда и везде. Компания Mitsubishi из Японии выпускает модель Lancer, под капотом которого может размещаться рядный четырёхцилиндровый двигатель, именуемый как 4G18. На каждом цилиндре здесь сразу 4 клапана, но распределительный вал используется всего один. А если взять в качестве примера модель гиперкара Veyron производства компании Bugatti, то есть конструкторы предусмотрели сразу 4 распределительных вала на двигателе.

Есть и другие примеры несколько иного подхода к использованию распредвала и его конструкции. Японские инженеры из компании Honda для своей системы под названием VTEC придумали оригинальный ход. Здесь сразу несколько кулачков отвечают за регулировку высоты поднятия только одного клапана. То есть на каждый из клапанов приходится по несколько рабочих кулачков. Инженеры постоянно работают над усовершенствованием систем газораспределения, повышают эффективность работы ГРМ, меняют фазы. Всё это позволяет повысить производительность двигателя, поднять его максимальную скорость, обеспечить лучшее ускорение. При этом не забывают о вопросах экономии топлива.

Конструкция распределительного вала

Существуют различные материалы, из которых изготавливаются распределительные валы. В основном в автопромышленности прижились кованые кулачковые валы. Но также есть и литые распредвалы, которые еще называют «полые литые валы». В том числе есть еще новые распредвалы, которые только начали появляться в автомире. Речь идет о трубчатых валах из трубчатой стали.

Эти новые валы могут сэкономить около 40 процентов энергии. 

Как и все части автомобиля, инженеры при проектировании распредвала стараются сделать его как можно легче без ущерба качеству и надежности. Это касается и всех других движущихся компонентов двигателя и других частей машины. Уменьшение движущихся масс в двигателе оказывает гораздо большее влияние на общую эффективность силового агрегата транспортного средства, чем, например, снижение веса других компонентов авто. 

Назначение и принцип работы

Функционирование ДВС основано на использовании четырех тактов, благодаря им тепловая энергия, которая образуется при сгорании ТВС (топливно-воздушной смеси), преобразуется в механическую работу. Все это проистекает в цилиндрах где клапаны и поршни синхронно изменяют свое положение по отношению друг к другу, то есть передвигаются строго в заданном порядке, соблюдая определенные фазы газораспределения. Возвратно-поступательное движение поршней обеспечивает коленвал, который вращается сперва благодаря стартеру определенного типа, а затем механическому усилию, которое передается от поршней через шатуны (оттого эту группу порой называют шатунно-поршневой).

А что заставляет двигаться клапаны? Вот тут и подходим к сути нашего вопроса. Конструкторы предусмотрели систему узлов и деталей, которые взаимодействуют между собой с одной единственной целью – заставить клапаны двигаться. Такая система и называется общим термином – ГРМ. Причем клапаны должны не просто двигаться, а передвигаться в определенном порядке, открывая поочередно (или иногда одновременно, это перекрытие клапанов) впускные (для подачи топлива или ТВС) и выпускные (для отвода выхлопных газов) клапаны.

Итак, ГРМ – система узлов и деталей, обеспечивающая работу клапанной группы (клапанов как впускных, так и выпускных). Работа клапанной группы ГРМ обязательно должна быть синхронизирована с работой поршней КШМ. Это необходимо для предотвращения столкновения клапанов и поршней (в случае рассинхронизации они могут столкнуться между собой), а также соблюдения базового принципа работы двигателя, его четырех тактов в отдельно взятом цилиндре и группе цилиндров (как минимум два).

Как это все работает? Функционирование клапанного ГРМ в полной мере зависит от работы КШМ, точнее коленвала. На преобладающем большинстве ДВС устанавливается привод ГРМ. Он обеспечивает передачу заданного крутящего момента, определенного усилия от коленвала на распредвал (в ряде схем одновременно на несколько валов). Говоря другими словами вращается коленвал, передает усилие на привод, а привод заставляет вращаться распредвал. Он в свою очередь взаимодействует с компонентами клапанной группы, те заставляют двигаться клапаны (как впускные, так и выпускные). Иные схемы есть в теории и опытных образцах, но их суть заключается в том, чтобы отказаться и от привода ГРМ, и от распредвала (нескольких валов). Ранее были такие попытки, но получалось не совсем надежно. Это и есть базовый принцип работы в целом ГРМ.

Резюме. ГРМ необходим для обеспечения работы двигателя. Принцип функционирования основан на взаимодействии с компонентами КШМ. Далее подробно в деталях о каждом компоненте ГРМ, как он работает и для чего нужен.

Теперь о выпуске.

Большая фаза выпуска должна способствовать лучшему проветриванию цилиндра, но её увеличение ведёт к росту опережения открытия и задержки закрытия выпускного клапана относительно НМТ и ВМТ соответственно. При подходе поршня к НМТ продукты горения рабочей смеси ещё находятся под давлением, но практически не совершают полезной работы. В этом случае небольшое опережение открытия выпускного клапана позволит снизить давление в цилиндре до того как поршень пройдёт НМТ и начнёт выталкивать отработавшие газы в выпускной коллектор, что снизит давление на поршень.

Задержка выпуска совместно с опережением впуска дают такое явление как перекрытие клапанов, т.е. угол поворота коленвала в районе ВМТ, когда открыты одновременно два клапана, впускной и выпускной.

Перекрытие клапанов может дать интересный эффект. Выталкиваемые с большой скоростью отработавшие газы за счёт полученной энергии увлекают свои остатки, которые механически не могут быть вытолкнуты из камеры сгорания поршнем, и даже затягивают внутрь рабочую смесь через приоткрытый впускной клапан, тем самым, увеличивая топливную эффективность двигателя. Чем больше перекрытие, тем больше пропускная способность канала впуск-выпуск, а значит лучше продувка камеры сгорания.

Есть минусы. Такой эффект возможен только на высоких оборотах, тогда как на низах всё идёт наоборот: если слишком велико опережение впуска, то часть отработанных газов будет просачиваться через впускной клапан, а если чрезмерна задержка закрытия, по часть рабочей смеси будет увлекаться вместе с выхлопом в трубу. Это характерно для высоких оборотов и низких, но на низах этот негатив может проявляться заметнее даже при меньших значениях перекрытия клапанов, так как скорости потоков невелики и эффект продувки практически не возникает. В итоге потеря момента на низах и средних оборотах. При уменьшении перекрытия получим более пологую кривую момента, но потеряем в максимальной мощности.

Как ещё можно улучшить эффективность распределительной системы? За счёт увеличения пропускной способности впускных/выпускных клапанов путём увеличения их подъёма и оптимизации динамики их движения. Оба этих параметра определяется профилем кулачков распредвала.

i-VTEC

Очередной разработкой компании Honda газораспределительного механизма с изменяемыми фазами VTEC является система, получившая обозначение i-VTEC (где буква «i» означает «Intellegence» — «интеллектуальный»).

«Интеллектуальность» же данной системы заключалась в следующем — управление изменением фаз осуществляется компьютером, при помощи функции поворота распредвала, регулируя угол опережения. Система i-VTEC позволила двигателям Honda получить больший крутящий момент на низких оборотах, что было постоянной проблемой для двигателей компании, — при высокой мощности они отличались малым крутящим моментом, получаемым на высоких оборотах.

Версия i-VTEC если не устранила, но существенно подкорректировала этот недостаток. Система i-VTEC начала устанавливаться на мощные моторы серии К и некоторых серии R, например, в автомобилях серии Type R, или Acura RSX. Другая версия, напротив, получила «экономичное» направление, и стала устанавливаться в гражданской серии двигателей (например на автомобилях CR-V, Accord, Element, Odyssey, и других).

Как обнаружить дефект распредвала

При верхнем расположении распределительных валов первый же визуальный осмотр механика поможет быстро выявить возможные дефекты детали. Ведь при этом расположении распредвалов, после демонтажа клапанной крышки, доступ к распределительным валам становится свободным. Различные дефекты на распредвале могут быть видны невооруженным взглядом. Естественно, перед демонтажем клапанной крышки опытный мастер проверит работу двигателя с целью выявления характерных шумов в работе распредвала. Единственное, что часто тяжело выявить даже визуально эти дефекты кулачков, которые при износе не имеют заметных меток повреждения. 

Если причиной повреждения распредвала являются подшипники, то обнаружить это можно только после разборки верхней части двигателя. Например, на изношенных подшипниках распредвалов легко обнаружить абразивные метки. В этом случае нужно заменить подшипники на новые. 

Устройство газораспределительного механизма

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

1. 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.

   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.

2. 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.
3. 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.

   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.
4. 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.
5. Коромысло или рычаги. Простое коромысло представляет собой двуплечный рычаг, который совершает качательные движения. В различной компоновке коромысла могут работать по-разному.
6. Системы изменения фаз газораспределения. Данные системы устанавливаются не на все двигатели. Более подробно про устройство и принцип работы можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Замена ремня ГРМ без меток

В некоторых случаях необходимо произвести установку ремня при отсутствии меток.

Для этого потребуются:

• Штангенциркуль.
• Отвёртка

Первым делом снимите защитную крышку ремня, выкрутите свечи.

Рассмотрим подробно процесс замены ремня без меток на 8-ми клапанном двигателе.

1. Необходимо выставить распределительный вал в перекрытие, например, удобно выбрать второй цилиндр. Для этого вам потребуется штангенциркуль и отвёртка. Медленно крутите по часовой стрелке распредвал и смотрите положение перекрытия. Для этого воспользуйтесь штангеном. Поставьте его на компенсаторы и вращайте распредвал до той точки, когда компенсаторы будут на одинаковой высоте. То есть положение у штангена должно быть прямое, а не скошенное.
2. После определения перекрытия необходимо выставить ВМТ (верхнюю мёртвую точку) второго цилиндра. Вставляем отвёртку в свечной канал. Медленно вращаем двигатель, только по ходу движения двигателя, чтобы поршень поднимался вверх. В определённый момент вы почувствуете, что маховик стал легко вращаться. После этого необходимо рукой почувствовать нижнюю и верхнюю точку и выставить верхнюю.
3. После настроек оденьте новый ремень, чтобы он совпал возможно потребуется немного провернуть его. А также натяните его.
4. Следущая стадия — проверка установки ремня. Вращайте маховик, ищите на нём риску. Устанавливайте её в верхнее положение и проверяйте метки на распредвале. В случае если настройка произведена неточно, риски будут уезжать.

На 16-клапанном моторе (2 распредвала) установка выполняется по тому уже принципу.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ VVT

Суть работы системы VVT в том, чтобы в реальном времени, ориентируясь на текущий режим работы двигателя, корректировать фазы открытия клапанов. В зависимости от конструктивных особенностей каждой из систем, реализовывается это несколькими путями:

• • поворотом распределительного вала относительно шестерни распредвала;
  • включением в работу на определенных оборотах кулачков, форма которых подходит для мощностных режимов;
  • изменением высоты подъема клапанов.

Наибольшее распространение получили системы, в которых регулировка фаз осуществляется изменением углового положения распределительного вала относительно шестерни. Несмотря на то что в работу разных систем положен схожий принцип, многие автоконцерны используются индивидуальные обозначения.

• Renault – Variable Cam Phases (VCP).
• BMW – VANOS. Как и у большинства автопроизводителей, изначально подобной системой укомплектовывался только распределительный вал впускных клапанов. Система, в которой гидромуфты изменения фаз газораспределительного механизма устанавливается и на выпускной распредвал, называется Double VANOS.
• Toyota — Variable Valve Timing with intelligence (VVT-i). Как в случае с БМВ, наличие системы на впускном и выпускном распредвалах именуется Dual VVT.
• Honda — Variable Timing Control (VTC).
• Volkswagen — выбрал международное название — Variable Valve Timing (VVT).
• Hyundai, KIA, Volvo, GM — Continuous Variable Valve Timing (CVVT).