Газораспределительный механизм

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
О газораспределительных механизмах карбюраторных двухтактных двигателей см. Двухтактный двигатель
Разрез цилиндра с двухвальным ГРМ.

Газораспределительный механизм (ГРМ) — механизм управления фазами газораспределения двигателя внутреннего сгорания.

Состоит из распределительного вала — или нескольких валов — и механизмов привода к ним, клапанов, открывающих и закрывающих впускные и выхлопные отверстия в камерах сгорания, и передаточных звеньев — толкателей, штанг, коромысел и некоторых вспомогательных деталей (регулировочных элементов, клапанных пружин, системы поворота клапанов и проч.)

Система привода распределительного вала в любом случае обеспечивает его вращение с угловой скоростью, равной 1/2 угловой скорости коленвала.

Классификация ГРМ[править | править вики-текст]

Классифицирующими признаками для конструкции газораспределительного механизма являются расположение клапанов и распределительного вала.

По расположению клапанов выделяют двигатели:

  • Нижнеклапанные (с боковым расположением клапанов);
  • Верхнеклапанные (в старой литературе — «с подвесными клапанами»);
  • Со смешанным расположением клапанов.

По расположению распределительного вала выделяют двигатели:

  • С распредвалом, расположенным в блоке цилиндров (Cam-in-Block);
  • С распредвалом, расположенным в головке блока цилиндров (Cam-in-Head);
  • Без распределительного вала.

По этим признакам клапанные механизмы четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания разделяются на целый ряд подтипов[1].

Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров[править | править вики-текст]

Нижнеклапанные[править | править вики-текст]

Ford Flathead. 1942 год.

Нижнеклапанный двигатель (с боковым расположением клапанов, англ. L-Head, Flathead, SV — Side-Valve) — двигатель, у которого распредвал расположен в блоке и клапаны расположены также в блоке, в ряд сбоку от цилиндров, тарелками вверх. Привод непосредственно от расположенного под ними распредвала.

Плюсы схемы — малая шумность, простота в изготовлении и обслуживании, нет опасности касания клапанов и поршня при неправильной установке угла распределительного вала. При наличии гидравлических толкателей клапанов или правильно выставленном клапанном зазоре нижнеклапанные двигатели работают на холостых оборотах почти совершенно бесшумно — отчётливо слышен только шум воздуха, обтекающего вентилятор системы охлаждения. Все детали ГРМ этого типа находятся внутри блока, что позволяет получить очень компактный двигатель. Распределительный вал находится в общем картере с коленвалом, что упрощает систему смазки и повышает безотказность, отсутствуют промежуточные передаточные звенья между кулачками распредвала и клапанами (коромысла, рокеры, рычаги и т. п.), нет необходимости в сложных уплотнениях стержней клапанов (маслосъёмные колпачки). Головка блока нижнеклапанного мотора представляет собой простую стальную плиту с каналами для охлаждающей жидкости, она легко демонтируется, открывая удобный доступ к клапанам и поршням, что было весьма актуально в годы, когда поршни требовалось регулярно очищать от нагара, а клапана — периодически притирать к сёдлам.

Схематический разрез нижнеклапанного двигателя.

Главный минус — из-за сложного пути бензовоздушной смеси значительно ухудшается наполнение цилиндров, как следствие — достигается ощутимо меньшая мощность по сравнению с остальными конфигурациями, двигатель получается низкооборотным и неэкономичным. Камеры сгорания нижнеклапанного мотора имеют сложную форму и из-за этого как правило не подвергаются механической обработке, сохраняя шероховатую поверхность, полученную при отливке, что ещё больше снижает показатели двигателя и является причиной появления различий в объёме и характере работы камер сгорания одной головки. Длинные выпускные каналы способствуют перегреву нижнеклапанного двигателя, а особенности конструкции его камер сгорания и головки блока не дают увеличить степень сжатия, что является наиболее простым и эффективным способом повышения удельной мощности, выше 7…7,5 — уже при степени сжатия в 8 единиц такой двигатель начинает работать с детонацией. По той же причине невозможно создание нижнеклапанного дизеля, поскольку в дизель-моторах необходимы степени сжатия порядка 19 и выше.

Вплоть до 1950-х годов благодаря своей простоте и дешевизне двигатели с таким ГРМ были наиболее распространены на легковых (за исключением спортивных) и грузовых автомобилях. Первые массовые модели с верхнеклапанными двигателями появились в Европе ещё 1930-х, а к 1950-м годам, после появления в широком доступе топлива с более высокими октановыми числами, стало очевидно, что нижнеклапанная схема сдерживает развитие автомобилестроения, мешая созданию более совершенных, динамичных и скоростных автомобилей, соответствующих изменившимся условиям дорожного движения. В результате в первой половине пятидесятых годов на легковых автомобилях началось массовое внедрение верхнеклапанных двигателей, лишённых присущих нижнеклапанной схеме недостатков. На грузовых автомобилях эта схема использовалась намного дольше, вплоть до семидесятых годов, а, например, грузовик ГАЗ-52 выпускался до 1990-х годов. В спецтехнике нижнеклапанные двигатели широко используются и в наши дни.

Двигатель типа T-head.

Разновидностью схемы были имевшие некоторое распространение до Второй мировой войны двигатели с Т-образной головкой (T-head в англоязычной литературе). В них впускные клапаны находились с одной стороны блока цилиндров, а выпускные — с другой. Распределительных валов также было два. Цель конструкции — устранить перегрев впускных клапанов. Дело в том, что низкооктановый бензин, доступный в начале XX века, отличался высокой склонностью к детонации, что делало применение этой схемы в какой-то мере выгодным — более холодная бензовоздушная смесь имеет несколько более высокое октановое число (на этом же принципе работал впрыск воды в цилиндры, охлаждавшей рабочую смесь — конструкция, также имевшая хождение в те годы). Такими двигателями, в числе прочих, оснащались и первые «Руссо-Балты».

Двигатель получался громоздким, дорогим, поэтому схема распространения не получила.

Со смешанным расположением клапанов[править | править вики-текст]

Двигатель со смешанным расположением клапанов. Inlet — впускной клапан, Exhaust — выпускной.

Также встречается обозначение — F-Head. У такого двигателя обычно впускные клапаны находятся в головке блока, как у верхнеклапанного мотора, и приводятся в действие при помощи штанг-толкателей, а выпускные — в блоке, как у нижнеклапанного двигателя. Распределительный вал был один и был расположен в блоке, как у обычного нижнеклапанного мотора.

Эта схема обладает тем преимуществом, что её мощность ощутимо выше, чем у «чистого» нижнеклапанного. Как правило, такие двигатели переделывались из нижнеклапанных в качестве меры текущей модернизации.

Подобные «полуверхнеклапанные» переделки существовали и в СССР — это были спортивные двигатели на базе агрегатов автомобилей «Москвич», «Победа» и ЗИМ. Выигрыш в мощности, в сочетании с иными мерами форсировки, был значительным — до 20…40 л.с., при исходной мощности самих указанных двигателей в 35, 50 и 90 л.с., соответственно.

Такие двигатели широко применялись фирмами Rolls-Royce и Rover благодаря их высокой надёжности как по сравнению с нижнеклапанными (из-за хорошего охлаждения верхних клапанов), так и по сравнению с ранними верхнеклапанными двигателями (из-за вдвое меньшего числа штанг-толкателей).

С появлением «настоящих» верхнеклапанных двигателей, эта схема почти полностью вышла из употребления. Тем не менее, последний такой двигатель был выпущен фирмой «Willys» в 1970-х годах.

Верхнеклапанные с приводом клапанов толкателями (тип OHV)[править | править вики-текст]

Двигатель с ГРМ типа OHV фирмы Chrysler.

Данная конструкция ГРМ была изобретена Дэйвидом Данбаром Бьюиком (David Dunbar Buick) в самом начале XX века. У этих двигателей клапаны расположены в головке цилиндров, а распредвал — в блоке (англоязычное обозначение — OHV — «OverHead Valve»; также встречается I-Head, или Pushrod, то есть, «с толкателями»). Привод клапанов — штангами-толкателями через коромысла.

Плюс такой схемы — относительно простая конструкция и обеспечиваемая ей конструктивная надёжность — в частности, как правило используется простой и надёжный привод распределительного вала шестернями, что исключает саму возможность таких неисправностей, как разрыв ремня ГРМ или «перескакивание» цепи в механизме с цепным приводом. Эксплуатационные нагрузки на детали ГРМ также оказываются сравнительно невысокими, чем обеспечивается высокая долговечность.

Многие двигатели с ГРМ типа OHV ощутимо более компактны по сравнению с верхневальными, так как у них отсутствует расположенный сверху в головке блока распределительный вал, что особенно актуально для двигателей без оси коромысел, у которых коромысла опираются на шаровые пальцы; для рядных двигателей это в особенности касается габарита по высоте, а для V-образных — и высоты, и габаритной ширины.

Механизм привода клапанов в случае схемы OHV получается самым длинным по сравнению с остальными вариантами

Существенный минус ГРМ типа OHV — большая инерционность такого механизма газораспределения, что несколько ограничивает безопасные максимальные обороты коленчатого вала двигателя и, следовательно, развиваемые двигателем крутящий момент и литровую мощность (степень форсирования). Спортивные двигатели с ГРМ типа OHV, например — у машин, участвующих в гоночной серии NASCAR, могут работать и на 11 000 оборотах в минуту, но для обеспечения этого требуются специальные, достаточно дорогостоящие конструктивные и технологические решения (впрочем, это касается любых специализированных гоночных агрегатов).

Кроме того, такая схема затрудняет использование более двух клапанов на цилиндр (двигатели с таким ГРМ, имеющие 4 клапана на цилиндр, имеют большие габариты и массу, что делает их малоприменимыми в легковых автомобилях, но вполне приемлемыми для грузовиков и тяжёлой техники — примеры тому двигатели КамАЗ, ЯМЗ, ТМЗ, дизель тепловоза ЧМЭ3 и многие другие) и усложняет проектирование впускных и выпускных окон в головке цилиндров с высокоэффективной с точки зрения пропускной способности и сопротивления потоку конфигурацией.

Двигатели этой схемы, как правило, сравнительно низкооборотные и относительно тихоходные, но с гибкой моментной характеристикой. Если не используются гидравлические толкатели, такой двигатель будет одним из наиболее шумных по сравнению с остальными схемами.

В СССР первым массовым верхнеклапанным мотором стал двигатель «Волги» ГАЗ-21 (малосерийные НАМИ-1 и ЗИС-101 имели такой ГРМ уже в 1920-х — 30-х годах). Из советских автомобилей такой механизм газораспределения имели «Волга» (все массовые карбюраторные модели), «Москвичи» всех моделей от М-407 до М-2138 включительно и все грузовики с карбюраторными двигателями конфигурации V8 (ЗИЛ, ГАЗ).

В мировой практике легкового автомобилестроения такие двигатели были широко распространены с 1930-х (в США — с 1950-х) и по 1970-е годы, а в настоящее время[когда?] производятся практически только в США. Иногда такие двигатели используются и на недорогих современных европейских автомобилях из-за своей дешевизны и компактности. Например, Ford Ka первого поколения (1996—2002) использовал инжектированную версию четырёхцилиндрового двигателя Kent разработки конца пятидесятых годов с ГРМ типа OHV, имеющую весьма компактные по современным стандартам размеры, что позволило уместить двигатель в небольшом моторном отсеке Ka. В моторах грузовиков и тяжёлой техники ГРМ типа OHV всё ещё очень широко распространён.

Схема OHV популярна и на малооборотистых четырёхтактных двигателях для газонокосилок, бензиновых электростанций, мотоблоков. Современные тракторные двигатели также имеют указанную схему.

Двигатели с распредвалом в головке цилиндров[править | править вики-текст]

SOHC[править | править вики-текст]

ГБЦ двигателя D15A1 автомобиля Honda Integra 1987 года с приводом клапанов коромыслами.
Верхневальный ГРМ с приводом клапанов рокерами.

Двигатель с одним распределительным валом и клапанами в головке (Overhead Camshaft или SOHC — Single OverHead Camshaft).

В зависимости от конкретной конфигурации привода клапанов, выделяют двигатели с:

  • Приводом клапанов коромыслами (Москвич-412, старые модели BMW, Honda) — клапаны расположены по бокам от распредвала, обычно V-образно, и приводятся в движение насаженными на общую ось коромыслами, одни концы которых толкаются кулачками вала, а другие приводит в движение стержни клапанов;
  • Приводом клапанов рычагами / рокерами (ВАЗ-2101 — 2107 и некоторые другие моторы) — распредвал над расположенными в ряд клапанами, приводит их посредством рычагов, опирающихся на ось или шаровую опору, толкая их кулачками примерно посередине; минус — повышенная шумность, высокие нагрузки в месте контакта кулачков вала и рычагов.
ГРМ с приводом клапанов толкателями.
  • Приводом клапанов толкателями (ВАЗ-2108, многие высокооборотные двигатели) — очень простой механизм с минимальной инерцией деталей, в котором распредвал расположен прямо над клапанами, расположенными тарелками вниз, и приводит их в движение через цилиндрические толкатели; минус — меньшая эластичность характеристики двигателя, сложная регулировка клапанного зазора.

Схема OHC была наиболее распространена во вторую половину шестидесятых — восьмидесятые годы. Целый ряд двигателей такой схемы выпускается и в наше время, преимущественно для недорогих автомобилей (скажем, ряд двигателей Renault Logan).

Распредвалы двигателей, выполненных по схеме SOHC или DOHC, приводятся в движение зубчатым ремнем или цепью.

Привод распредвалов зубчатым ремнем является в настоящее время[когда?] наиболее распространенным на легковых автомобилях. Зубчатый ремень находится вне объема, омываемого маслом, попутно ремень приводит в движение водяной насос. Преимущество привода зубчатым ремнем — дешевизна, бесшумность. Недостатки — в большинстве выпускаемых двигателей обрыв ремня вызовет удар тарелок клапанов о поршни. Во избежание этого рекомендуется строго соблюдать установленную периодичность замены зубчатого ремня. Ресурс обычно составляет от 50 до 150 тыс. км. Но необходимо помнить, что резина стареет со временем, и при малых ежегодных пробегах замена ремня может потребоваться раньше, чем это установлено производителем. Необходимо также помнить, что к обрыву ремня может привести и неисправность роликов натяжения, поэтому если двигатель «втыковой» (то есть обрыв или проскок ремня ГРМ приведет к столкновению тарелок клапанов и поршней), то следует время от времени осматривать механизм зубчатого ремня. Обрыв ремня ГРМ особенно часто происходит зимой или после длительного простоя автомобиля.

Цепной привод ГРМ является распространенным в верхнем ценовом сегменте легковых автомобилей, используется в двигателях грузовых автомобилей. Цепь обычно сдвоенная, находится в объеме двигателя, омываемого маслом. Преимущества — отсутствие опасности внезапного обрыва, изношенная цепь начинает стучать, особенно на холодном двигателе, предупреждая владельца о необходимости замены; больший ресурс — в 2-3 раза больше, чем у зубчатого ремня; долговечность. Недостатки — дороговизна, несколько большая шумность. Сильно изношенная цепь может растягиваться и перескакивать через несколько зубьев звёздочки — к катастрофическим для мотора последствиям это не приводит, но вызывает смещение фаз газораспределения и, соответственно, существенное нарушение его работы, которое не всегда сразу верно диагностируется при ремонте из-за сходства симптомов с иными неисправностями.

В некоторых двигателях использовался привод распределительного вала промежуточным валом с коническими шестернями на концах, примеры — двигатели американской фирмы Crosley, танковый дизель В-2 (последний имеет 4 клапана на цилиндр).

DOHC[править | править вики-текст]

DOHC-Zylinderkopf-Schnitt.jpg

Двигатель с двумя распредвалами в головке цилиндров (Double OverHead Camshaft).

При этом существуют две серьёзно различающиеся разновидности этого механизма, отличающиеся количеством клапанов.

DOHC с двумя клапанами на цилиндр. Эта схема является усложнённой разновидностью обычной OHC. В головке блока цилиндров расположены два распредвала, один из которых приводит впускные клапаны, второй — выпускные. Эта схема применялась в 1960-х — 1970-х годах на высокопотенциальных двигателях таких автомобилей, как Fiat 125, Jaguar, Alfa Romeo, а также опытном двигателе гоночных автомобилей «Москвич-412Р», «Москвич-Г5» и в легковых автомобилях, также легких коммерческих, концерна Ford для европейского рынка, вплоть до 1994 года.

Схема позволяет значительно увеличить количество оборотов коленчатого вала за счёт уменьшения его инерции, следовательно, увеличить мощность, снимаемую с двигателя. Например, мощность спортивной модификации двигателя «Москвича-412» с двумя распределительными валами объемом 1,6 литра составляла 100 — 130 л.с.

ГБЦ с 4 клапанами на цилиндр и ГРМ типа DOHC.

DOHC с четырьмя и более клапанами на цилиндр. Два распредвала, каждый из которых приводит свой ряд клапанов. Как правило, один распредвал толкает два впускных клапана, другой — два выпускных. Фактически, двухрядный вариант схемы OHC со вдвое большим количеством распредвалов и клапанов, однако могут осуществляться и иные схемы с общим количеством клапанов на цилиндр от 3-х до 6-и. Привод клапанов, как правило, толкателями. Схема даёт большое преимущество по мощностной отдаче. Применяется на большей части выпускаемых в настоящее время автомобилей, в частности — на двигателях ЗМЗ-405, ЗМЗ-406 и ЗМЗ-409, устанавливаемых на автомобилях ГАЗель и УАЗ (до 2008-го года также «Волга»), или моторах ВАЗ-21126, 21127, устанавливаемых на современных моделях ВАЗ.

Даже если двигатель имеет более одной головки блока цилиндров, и, следовательно, более двух распредвалов, в итоге он всё равно относится к схеме DOHC.

Десмодромный газораспределительный механизм[править | править вики-текст]

Десмодромный ГРМ.

В нём используются два распределительных вала (либо один, но с кулачками сложной формы): один перемещает клапаны вниз, второй — вверх. Клапанные пружины отсутствуют.

Двигатели с десмодромным газораспределением могут работать на оборотах, недоступных для обычных клапанных механизмов с пружинами, у которых при определённых оборотах коленчатого вала скорости срабатывания клапанных пружин не будет хватать для того, чтобы отвести клапаны из-под удара поршня до его прихода в верхнюю мёртвую точку («зависание» клапанов), что приводит к выходу двигателя из строя.

Десмодромный механизм имеет много прецизионных деталей, очень трудоёмок и дорог в изготовлении, требует высочайшего качества смазочного масла. Этот механизм применялся на ряде гоночных автомобилей, например, Mercedes-Benz W196[2], O.S.C.A. Barchetta и Mercedes-Benz 300 SLR, а ныне — на мотоциклах Ducati[3][4].

ГРМ с изменяемыми фазами газораспределения[править | править вики-текст]

Большинство производителей автомобилей мирового уровня предлагают на некоторых своих двигателях систему изменения фаз газораспределения, которая регулирует параметры открытия клапанов в соответствии со скоростью вращения и нагрузкой на двигатель, благодаря чему достигается более эффективное использование мощности двигателя, снижается расход топлива, снижается загрязненность выхлопа. В частности, существуют варианты такой системы разработки фирм Honda (VTEC), Toyota (VVT-i), Mitsubishi (MIVEC), Nissan (VVL), BMW (VANOS), Ford (Ti-VCT), и других.

ГРМ без распределительного вала[править | править вики-текст]

В них используются электрический (соленоиды), гидравлический или пневматический привод клапанов. В настоящее время не вышли из стадии опытно-конструкторских работ.

Прочие системы газораспределения[править | править вики-текст]

Гильзовая система газораспределения[править | править вики-текст]

Газораспределение на Bristol Perseus
Устройство ГРМ со скользящими гильзами

Впервые разработана американским инженером Чарльзом Найтом (Charles Yale Knight), часто по его фамилии называется «системой Найта», хотя Найт разработал лишь один из типов гильзового газораспределения — со скользящими гильзами.

Применялась на дорогих легковых автомобилях — в первую очередь нужно отметить целую серию моделей SS (San-Soupape, фр. «без клапанов») французской фирмы Panhard et Levassor и автомобили фирмы Avions Voisin с двигателями Найта, а также такие модели, как Willys-Knight и Mercedes-Knight. Полный список автомобилей с двигателями Найта включает такие марки и модели, как:

  • Brewster;
  • Columbia;
  • Daimler;
  • Falcon-Knight (1928—1929);
  • Mercedes-Benz;
  • Minerva;
  • Moline-Knight (1914—1919);
  • Panhard et Levassor;
  • Peugeot and Mors;
  • R&V Knight (1920—1924);
  • Silent-Knight (1905—1907);
  • Stoddard-Dayton;
  • Stearns-Knight (1911—1929);
  • Avions Voisin (1919—1938);
  • Willys-Knight (1915—1933);

Также гильзовое газораспределение находило применение на авиадвигателях, в частности, на британских авиационных двигателях разработки тридцатых годов, таких, как Bristol Perseus, Bristol Pegasus, Bristol Hercules. Аналогичные конструкции широко применялись и на паровых двигателях.

Принцип действия — открытие/закрытие окон в стенках цилиндра скользящими гильзами (sleeve valves). На британских авиадвигателях применялась не система Найта, а система МакКаллума, в которой гильзы не скользили вдоль цилиндра, а вращались относительно него, что было проще в реализации. Также существовало небольшое число двигателей, имевших окна не сбоку цилиндра, а в самой головке блока, то есть более близких к традиционной системе с тарельчатыми клапанами.

Главное преимущество — полная бесшумность. Кроме того, — долговечность и улучшение наполнения цилиндров бензовоздушной смесью за счёт большого размера и меньшего сопротивления окон в гильзах по сравнению с каналами клапанов, особенно в нижнеклапанных двигателях.

Основные недостатки — сложность и высокий расход масла.

Преимущества этой системы были особенно заметны по сравнению с нижнеклапанными автомобильными двигателями первой половины XX века, после появления гидрокомпенсаторов клапанного зазора и верхне расположенных клапанов, они практически исчезли. Тем не менее, в настоящее время[когда?] ряд исследователей[кто?] считает, что возможен возврат к системе Найта или иному виду гильзового газораспределения в двигателях будущего.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Рассматриваются только устоявшиеся и широко применявшиеся на практике схемы ГРМ с классическими тарельчатыми клапанами (poppet valves), наиболее распространённого начиная с 1910-х годов типа. Ранние типы ГРМ с иными типами клапанов (золотниковыми и так далее) не рассматриваются.
  2. Авторевю № 2, 2002. История с картинками. Mercedes 300 SLR
  3. Ducati. История марки
  4. История клапанной системы Ducati Desmodromic / Ducati / bikepost.ru — блогосоциальный сервис для мотоциклистов

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Рикардо Г.Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. — М.: ГНТИ Машиностроительной литературы, 1960.