Газораспределительный механизм (ГРМ)

Газораспределительный механизм (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 коленчатого вала.
Классифицирующими признаками для конструкции газораспределительного механизма являются расположение клапанов и распределительного вала.

Газораспределительный механизм (ГРМ)

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 распределительным валом, 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

Газораспределительный механизм (ГРМ)

Двигатели с распределительным валом в блоке цилиндров.

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, отсутствие 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 безотказнос ть, 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 клапаны — периодически притирать к сёдлам.

Главный минус — из-за сложного пути бензовоздушной смеси значительно ухудшается наполнение цилиндров, как следствие — достигается ощутимо меньшая удельная 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. Необходимость обеспечить, с одной стороны, минимальное конструктивно обусловленное расстояние между осями цилиндра и распределительного вала, а с другой — необходимый зазор между тарелкой клапана и стенками камеры сгорания вынуждает конструкторов придавать камере сгорания сильно вытянутую форму и не даёт уменьшить её объём, а это, в свою очередь, не позволяет увеличить степень сжатия, что является наиболее простым и эффективным способом повышения удельной мощности, выше 7÷7,5:1 — при дальнейшем росте степени сжатия нижнеклапанный двигатель становится склонен к детонации (в незначительной степени этот недостаток может быть устранён наклоном осей клапанов относительно оси цилиндров, однако при этом растут габариты двигателя). По той же причине невозможно создание нижнеклапанного дизеля, поскольку в дизель-моторах необходимы степени сжатия порядка 19 и выше.
Со смешанным расположением клапанов

Также встречается обозначение — F-Head. У такого двигателя обычно впускные клапаны находятся в головке блока, как у верхнеклапанного мотор а, 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 широким распространением «настоящих» верхнеклапанных двигателей, эта схема почти полностью вышла из употребления. Тем не менее, последний такой двигатель был выпущен фирмой «Willys» в 1970-х годах.

Газораспределительный механизм (ГРМ)

Верхнеклапанные с приводом клапанов толкателями (тип OHV)

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.

Существенный минус ГРМ типа OHV по современным меркам — большая инерционность такого механизма газораспределения, что несколько ограничивает безопасные максимальные обороты коленчатого вал 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 с распределительным валом в головке цилиндров

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.
• 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.

Газораспределительный механизм (ГРМ)

Десмодромный газораспределительный механизм

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, O.S.C.A. Barchetta и Mercedes-Benz 300 SLR, а ныне — на мотоциклах Ducati
ГРМ с изменяемыми фазами газораспределения
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), Subaru (AVCS) и других.

Газораспределительный механизм (ГРМ)

Гильзовая система газораспределения

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.
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.

Газораспределительный механизм (ГРМ) — Принцип работы

Добавить комментарий