Распределительный вал: описание, характеристика, ремонт

Содержание
  1. Распредвал – что это и для чего он создан
  2. Кулачки
  3. Опорные шейки распредвала
  4. Масляные каналы
  5. Чем отличается коленвал от распредвала?
  6. Функция распределительного вала
  7. OHC и DOHC — что это значит
  8. Устройство распредвала
  9. Рабочий цикл двигателя
  10. Количество распредвалов в двигателе
  11. Классификация распредвалов
  12. Низовые распредвалы
  13. Верховые распредвалы
  14. Тюнинговые и спортивные распредвалы
  15. Фазы газораспределения
  16. Типология[править | править код]
  17. С поршневым управлением газораспределения[править | править код]
  18. С золотниковым управлением газораспределением[править | править код]
  19. В двухтактных двигателях[править | править код]
  20. В четырёхтактных двигателях[править | править код]
  21. С клапанным управлением газораспределением[править | править код]
  22. С гильзовым управлением газораспределением[править | править код]
  23. Разновидности компоновок ДВС
  24. Возможные неисправности ГРМ
  25. Эксплуатация и ремонт распредвалов
  26. Неисправности распредвалов
  27. Повреждение распределительного вала
  28. Потеря масла при повреждении сальника распределительного вала
  29. Датчик положения распредвала
  30. Системы фаз газораспределения
  31. Диагностика и ремонт распредвала
  32. Замена распредвала
  33. Замена распредвала двигателя ВАЗ 2106
  34. Как выбрать распределительный вал
  35. Стоимость нового распределительного вала
  36. Перспективы развития

Распредвал – что это и для чего он создан

Распределительный вал в двигателе служит для открытия и закрытия клапанов в цилиндрах строго в соответствии с расчетными интервалами. Распредвалов в двигателе может быть несколько, в зависимости от конструкции. Обычно устанавливается один или два вала на каждую группу цилиндров. Автомобильный двигатели, как правило, имеют один или два распредвала.

Двигатели так же могут разделяться на верхне- и нижневальные, в зависимости от расположения распредвала — в головке блока цилиндров или в его основании. Для управления фазами газораспределенияв двигателе распредвал жестко связан с коленвалом одним из способов: привод ремнем или цепью или через шестерни. На спортивных автомобилях устанавливается распредвал с измененными кулачками, для соответствующего изменения в фазах газораспределения двигателя. Это, с одной стороны, может служить для увеличения мощности двигателя, а с другой, может приводить к быстрому износу деталей, не рассчитанных на такую работу.

Распредвал

Распредвал при работе, так же, как и любая деталь двигателя, подвержен износу. В двигателях старых поколений иногда возможен ремонт распредвала, путем наплавления кулачков и их последующей обработки и замены вкладышей. В современных двигателях распредвал не ремонтируется, а сразу заменяется на новый.

Долговременную работу распредвала обеспечивает хорошо работающая система смазки в двигателе. При недостаточном уровне смазки происходит ускоренный износ детали, что может приводить к сбоям в работе двигателя — нарушению фаз газораспределения, неравномерной работе одного или нескольких клапанов.

Часть современных двигателей лишена распредвала, а газораспределительным механизмом управляет электроника с помощью электро-механических приводов. Это позволяет задавать режимы работы двгателя, отличающиеся от сьандартных и не зависящие от оборотов коленвала.

Кулачки

По сути, распределительный вал представляет собой толстый металлический стержень, на который «нанизаны» так называемые кулачки, имеющие в поперечном разрезе форму капли.

Каждый кулачок отвечает за работу одного клапана. Взаимодействие этих элементов происходит следующим образом: во время вращения кулачок за счёт своей сложной формы через систему толкателей или коромысел надавливает на клапан и открывает его – происходит выпуск отработанных газов или впуск свежей порции воздуха (воздушно-топливной смеси).

Момент открытия клапана чётко синхронизирован с положением поршня в цилиндре. Реализовано это в современных двигателях при помощи ременной или цепной связи распределительного и коленчатого валов. Кстати, эти же привода зачастую раскручивают и масляные насосы, управляют распределителями зажигания и прочим.

Опорные шейки распредвала

Помимо кулачков в конструкции распредвала необходимо выделить опорные шейки, на которые одеты подшипники – посредники между валом и его местом крепления в двигателе.

Как правило, в современных моторах распределительный вал располагается в непосредственной близости с клапанами, в головке блока цилиндров.

Масляные каналы

Есть у распредвала и своя система смазки – крайне важный узел, предотвращающий износ трущихся деталей. Масло к валу подводится через сделанное в нём же сквозное отверстие по оси, которое имеет выходы наружу в критичных зонах – кулачках и опорных подшипниках.

Чем отличается коленвал от распредвала?

Коленвал — деталь сложной формы, благодаря которой соединяется в одно целое поршневая группа. В цилиндрах происходит сжатие и воспламенение топлива, поршень двигается поступально вперед и назад. Движение поршней через шатуны передается на коленчатый вал. На коленвале содается крутящий момент, передаваемый затем от двигателя на трансмимссию автомобиля. Изготавливается эта деталь из особопрочных сплавов стали или чугуна. Для того, чтобы коленвал выдерживал температурную и механическую нагрузку, производят его путем ковки и штампования на специальных станках. Конструкция деталипринципиально не меняется уже много десятилетий.

Коленвал

На спортивных автомобилях устанавливают так называемый, «облегченный» коленвал — его масса уменьшена за счет более точной балансировки и уменьшения маховика, а так же благодаря изготовлению из более легких сплавов. Это позволяет двигателю быстрее набирать обороты и выдавать больше мощности. На серийных автомобилях, не участвующих в соревнованиях, не рекомендуется установка облегченного коленвала.

На ранних моделях автомобилей коленвал можно было проворачивать с помощью специальной рукояти, в народе называемой «кривой стартер». Так двигатель можно было запустить «вручную», а на самых ранних автомобилях и некоторых грузовых моделях 20 века двигатель заводился только таким образом. Вплоть до 90х годов прошлого столетия владельцы жигулей, москвичей и уазов возили такую рукоять в багажнике, а в морозы двигатель обязательно перед запуском о стартера несколько раз «проворачивали» вручную. Это значительно облегчало пуск и позволяло избежать поломки промерзшего двигателя. В современных двигателях эта проблема практически отсутствует. Во-первых, сильно изменились составы моторного масла и оно практически не замерзает, вплоть до -50С. Во-вторых, значительно изменились конструкции двигателей и материалы изготовления деталей, что делает беспроблемным хлоодный пуск двигателя даже после длительной стоянки в условиях сниженных температур.

При сильном износе коленвала двигатель может выйти из строя или вовсе «заклинить». Поэтому, несмотря на то, что деталь изготавливается из выскопрочных сплавов, при большом «пробеге» двигателя может потребоваться ее ремонт или полная замена. На старых двигателях, ввиду значительной стоимости детали, ее обычно стараются отремонтировать. На новых моделях, ввиду невозможности обработки детали вне заводских условий и отсутствии запчастей, деталь заменяется аналогичной.

Функция распределительного вала

Распределительный вал в четырехтактном двигателе обеспечивает открытие и закрытие клапанов в головке цилиндров и, таким образом, контролирует газообмен в двигателе. Для этого на распредвале есть кулачки (как правило, их количество соответствует количеству клапанов в двигателе), которые преобразуют вращательное движение распределительного вала в движение хода клапанов. Если кулачок распредвала выдвигает клапан вниз (через толкатель или коромысло), открывается вход или выпуск в головке блока цилиндров двигателя.

Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом. Распредвал вращается с половинной скоростью коленвала. Соединяются коленвал и распредвал обычно через зубчатый ремень или цепь ГРМ (в более старых автомобилях соединение шло через зубчатый редуктор).

В линейных двигателях (плоские силовые агрегаты) может быть установлено максимум два распределительных вала. В V- и W-образных двигателях могут вращаться до четырех распредвалов в головках блока цилиндров.

OHC и DOHC — что это значит

Распределительный вал Volkswagen Beetle: Кулачок (слева) передает движение через длинный плунжер на коромысло клапана

В современных двигателях используются только верхние распределительные валы (OHC = верхний распределительный вал). Часто в современных моторах установлено два распредвала. Один служит для впускных клапанов, второй отвечает за выпускные клапана (DOHC = двойной верхний распределительный вал).

В старых моторах двигатели были сконструированы, как правило, с одним распредвалом. Также в них клапаны в головке блока управлялись плунжерами. Эта конструкция моторов приводит к большому механическому трению, что делает силовые агрегаты этого типа менее эффективными и менее мощными.

Ниже в графической анимации вы можете увидеть, как два распредвала работают в современном четырехцилиндровом двигателе (принцип DOHC).

Устройство распредвала

Распредвал выполняет далеко не последнюю функцию в работе двигателя автомобиля – он синхронизирует впуск и выпуск тактов работы двигателя.

В зависимости от типа двигателя, ГРМ может быть с нижним расположением клапанов (в блоке цилиндров), так и с верхним расположением клапанов (в головке блока цилиндров).

В современном моторостроении предпочтение отдаётся верхнему расположению ГРМ. Это позволяет упростить процесс обслуживания, регулировки и ремонта распредвала, благодаря простоте доступа к деталям ГРМ.

Конструктивно распредвал связан с коленвалом двигателя. Это соединение осуществляется посредством ремня или цепи. Ремень или цепь распредвала надета на шкив распредвала и звездочку коленвала. Привод распределительного вала осуществляется за счет коленчатого вала.

Наиболее эффективным считается шкив распредвала — разрезная шестерня, который применяется для тюнинга рапредвала с целью увеличения мощностных характеристик двигателя.

На головке блока цилиндров расположены подшипники, в которых вращаются опорные шейки распредвала. В случае ремонта для крепления опорных шеек используются ремонтные вкладыши распредвала.

Осевой люфт распредвала предотвращают фиксаторы распредвала. По оси распределительного вала выполняется сквозное отверстие. Через него осуществляется смазка трущихся поверхностей деталей. С задней стороны это отверстие закрывает заглушка распредвала.

Кулачки распредвала – важнейшая составная часть. Их количество соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя. Именно кулачки и выполняют основное назначение распредвала – регулировка фаз газораспределения двигателя и порядок работы цилиндров.

Каждый клапан имеет свой, индивидуальный кулачок, который его и открывает, «набегая» на толкатель. Когда кулачок сходит с толкателя, под действием мощной возвратной пружины клапан закрывается.

Кулачки распредвала располагаются между опорными шейками. Два кулачка: впускной и выпускной на каждый цилиндр. Кроме того, на вал крепится шестерня для привода прерывателя-распределителя и масляного насоса. Плюс эксцентрик для приведения в действие топливного насоса.

Газораспределительная фаза распредвала подбирается опытным путём, и зависит от конструкции впускных и выпускных клапанов и числа оборотов двигателя. Производители для каждой модели двигателя указывают фазы распредвала в виде диаграмм или таблиц.

На опорах распредвалов устанавливается крышка распредвала. Передняя крышка распредвала – общая. В ней установлены упорные фланцы, входящие в проточки в шейках распредвалов.

Рабочий цикл двигателя

Период, когда впускной и выпускной клапаны в каждом цилиндре должны открыться один раз — это и есть рабочий цикл двигателя. Он осуществляется за 2 оборота коленвала. В это время распредвал должен сделать один оборот. Именно для этого и шестерня распредвала имеет в два раза больше зубьев.

Количество распредвалов в двигателе

Эта величина, как правило, зависит от конфигурации двигателя. Двигатели с рядной конфигурацией и одной парой клапанов на цилиндр имеют один распредвал. Если на цилиндр предусмотрено 4-е клапана, то два распредвала.

Оппозитные и V-образные двигатели имеют один распредвал в развале, либо два, по одному распредвалу в каждой головке блока. Существуют также исключения, связанные с конструктивными особенностями модели двигателя. (например, рядное расположение четырех цилиндров – один распредвал при 4-х клапанах на цилиндр, как у Мицубиси Лансер 4G18).

Современный рынок предлагает потребителю разные двигатели с разными системами изменения фаз газораспределения. Наиболее характерные из них:

VTEC – технологическая разработка компании Honda. Регулировка фаз происходит посредством использования для регулируемого клапана 2 кулачков.

VVT-i — от фирмы Toyota. Регулировка фаз производится поворотом распредвала относительно его приводной звёздочки.

Valvetronic — технологическая разработка компани BMW. Регулировка высоты подъёма клапанов происходит за счёт изменения положения оси вращения коромысел.

Мнение эксперта Руслан Константинов Эксперт по автомобильной тематике. Окончил ИжГТУ имени М.Т. Калашникова по специальности «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Опыт профессионального ремонта автомобилей более 10 лет. Современные двигатели редко имеют один распредвал, чаще всего их два, что обеспечивает более тихую работу двигателя, повышается КПД и увеличивается мощность за счёт большего количества клапанов (ускоряется цикл впуск-выпуск). Один распредвал отвечает за работу впускных, а другой выпускных клапанов. Для более мощных автомобилей с V-образными моторами используется четыре распределительных вала из-за конструктивных особенностей силовой установки. Газораспределительный механизм с одним распределительным валом получил название Single OverHead Camshaft (SOCH), система с двумя валами называется Double OverHead Camshaft (DOCH). При правильной эксплуатации распределительные валы редко выходят из строя, основная их неисправность это естественный износ трущихся деталей или деформация узла из-за трещин. Износ значительно ускоряется в следующих случаях:

  • низкое давление масла (недостаточный уровень);
  • попадание в масло антифриза или топлива;
  • прогар клапанов или неисправности гидрокомпенсаторов;
  • нарушение фаз газораспределения.

Успехов вам в изучении устройства двигателя своего автомобиля.

Классификация распредвалов


Тюнинговые модели распредвалов можно разделить на две группы: низовые и верховые. По названию видно, что одни увеличивают момент на низких оборотах двигателя, а другие на высоких оборотах. Это достигается при помощи изменения высоты подъёма и особого профиля кулачков, а также определёнными фазами открытия/закрытия клапанов.

Низовые распредвалы


Этот вид изделий имеет небольшую высоту подъёма при отсутствии зоны перекрытия клапанов. Такой режим предотвращает выбрасывание рабочей смеси на низких оборотах обратно во впуск. Конечно, малая высота подъёма вызывает потерю наполнения на высоких оборотах и это ведёт к уменьшению максимальной мощности двигателя. Поэтому, в основном, они применяются при езде по городу. Не забывайте, что мощность двигателя, в основном, влияет только на максимальную скорость вашего автомобиля, что не является критическим показателем. Для примера можно привести следующие цифры: уменьшение мощности двигателя ВАЗ-2109 на 10 л.с. снизит максимальную скорость всего на 6 км/ч.

К достоинствам низовых валов можно отнести повышение крутящего момента на «низах». Именно это позволит вам резко ускориться со светофора, не включая пониженную передачу. На средних оборотах эти распредвалы ничем не лучше серийных, а на высоких даже хуже их.

Верховые распредвалы


Эти изделия, наоборот, имеют высокие подъёмы, большую зону перекрытия клапанов и широкие фазы. Такой режим увеличивает наполнение на «верхах», что происходит из-за увеличения проходного сечения в зонах клапанов и благодаря использованию эффекта инерционного наддува. Это ведёт к увеличению мощности двигателя, причём максимальный крутящий момент смещается в зону высоких оборотов. К сожалению, заметен провал на «низах», что происходит вследствие более широкой фазы, во время которой рабочая смесь обратно выталкивается во впускной коллектор при низких частотах вращения. И чем лучшие характеристики имеет верховой распредвал, тем сильнее этот эффект.

Тюнинговые и спортивные распредвалы


Верховые распредвалы дополнительно делятся на тюнинговые и спортивные. Их различие, в основном, касается фазовой характеристики, подъёма клапанов и высоты перекрытия. Чем больше высота подъёма, тем выше момент и, как правило, мощность на высоких оборотах.

Спортивные распредвалы практически непригодны для использования в городских условиях вождения. Они имеют заметный провал при низких оборотах и довольно неустойчивые повышенные обороты холостого хода. Максимальная отдача у них происходит только в области почти предельных частот вращения двигателя, что неприемлемо при обычных условиях вождения.

Одним из ярких представителей спортивного класса изделий можно назвать Вал распределительный ВАЗ 2101-2107, 2121-2131 /Нива/ «TEAM80» (Нуждин) 12,70 мм/12,40 мм (292°/290°).

Также стоит обратить внимание на следующие изделия:

  • Вал распределительный 8V ВАЗ 2108-21099, 2110-2112, 2113-2115, Калина, Приора, Гранта, Калина 2 «TEAM80» (Нуждин) 13,70 мм (287°/284°)
  • Вал распределительный 8V ВАЗ 2108-21099, 2110-2112, 2113-2115, Калина, Приора, Гранта, Калина 2 «TEAM80» (Нуждин) 12,36 мм (286°)
  • Валы распределительные 16V ВАЗ 2108-21099, 2110-2112, 2113-2115, Калина, Приора, Гранта, Калина 2 «TEAM80» (Нуждин) 10,65 мм (306°)
  • Валы распределительные 16V ВАЗ 2108-21099, 2110-2112, 2113-2115, Калина, Приора, Гранта, Калина 2 «TEAM80» (Нуждин) 12,00 мм (310°/304°).

Теперь вы можете выбрать необходимый вид распредвала для своего автомобиля, исходя из предполагаемых режимов его использования.


Фазы газораспределения

Фазами газораспределения принято считать начало открытия и момент закрытия клапана, выраженный в градусах угла поворота коленвала относительно мертвых точек. Лучшая очистка цилиндра от выхлопных газов достигается при открытии выпускного клапана до наступления нижней мертвой точки (НМТ), и закрытии после ВМТ. Наполнение цилиндров воздухом или горючей смесью происходит при открытии впускного клапана до прохождения им ВМТ, и закрытии после НМТ. Период одновременного открытия обоих клапанов называется их перекрытием.

Фазы подбираются на заводе-изготовителе двигателя экспериментальным путем, и зависят от его конструкции и быстроходности. При этом колебание газов используется таким образом, что перед закрытием впускного клапана перед ним находится волна давления, а перед закрытием выпускного – волна разрежения. Такой подбор фаз обеспечивает одновременное улучшение заполнения цилиндров воздухом или смесью, а также их очистку от выхлопных газов.

Установка механизма газораспределения осуществляется при помощи меток на шестернях. Отклонение от нормы на пару зубов или звездочек может привести к удару клапана о поршень и поломке двигателя. Постоянство фаз сохраняется при наличии теплового зазора в клапанном механизме, нарушения которого вызывают уменьшение или увеличение продолжительности открытия.

Для каждого двигателя завод-изготовитель указывает фазы газораспределения в виде диаграммы, где показаны моменты открытия, закрытия, и перекрытия клапанов.

Типология[править | править код]

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;
  • гильзовые.

С поршневым управлением газораспределения[править | править код]

Цикл работы двухтактного двигателя. Слева направо: продувка, сжатие, воспламенение, рабочий ход. Газообмен происходит через впускные и выпускные окна, открываемые и закрываемые самим поршнем.

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. Для получения таких характеристик в малых двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой используются золотниковое газораспределение или лепестковый клапан на впуске (см. ниже).

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.[5]

С золотниковым управлением газораспределением[править | править код]

Газораспределительный механизм двухтактного двигателя с вращающимся дисковым золотником, установленным в задней части картера, под золотником видно частично открытое впускное окно.

Управление газораспределением поршневым золотником на четырёхтактном двигателе.

Золотниковое газораспределение со вращающимся золотником на четырёхтактном двигателе, каждый золотник обслуживал по два соседних цилиндра (Itala, 1910-е годы).

В двухтактных двигателях[править | править код]

Золотниковое газораспределение было применено ещё на двухтактном газовом двигателе Ленуара, считающемся первым в мире коммерчески успешным двигателем внутреннего сгорания (1859 г.). 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. Однако впоследствии развитие двухтактных двигателей пошло по пути использования поршневого (на лёгких двигателях) либо клапанного газораспределения.

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.[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. Завершились эти работы безрезультатно, одной из причин чего было резкое ужесточение экологических стандартов в середине 1990-х годов (Евро-1, Евро-2 и т. д.), поставившее крест на использовании двухтактных двигателей на автомобильном транспорте.

В четырёхтактных двигателях[править | править код]

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 г.), 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[en] 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.[5]

Примерно тогда же британская фирма Norton выпустила некоторое количество гоночных мотоциклов с золотниковым газораспределением, но в 1954 году полностью прекратила работы в этом направлении. Разновидностью золотникового иногда считают гильзовое газораспределение, рассмотренное отдельно ниже по тексту.

С клапанным управлением газораспределением[править | править код]

Схематическое изображение выпускного клапана на примере двигателя с нижнеклапанным ГРМ. Клапан имеет выпуклую форму головки. d — диаметр седла клапана, h — высота его подъёма, a — путь выхлопных газов.

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, что объясняется высоким давлением отработавших газов и большей скоростью истечения в выпускных клапанах.

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.

Ещё один метод борьбы с тепловой напряженностью выпускных клапанов – нанесение на тарелку керамического напыления, например оксида циркония. Эффект снижения рабочей температуры может составлять несколько сотен градусов.

Изготавливаются клапаны путём горячей высадки (объёмной штамповки) стального прутка, после чего подвергаются механической и термической обработке.[5][7][8]

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]

Клапан, его седло, направляющая втулка, опорная шайба пружин, сдвоенные клапанные пружины и тарелка пружин. Справа вверху показаны различные способы крепления тарелки пружин на стержне клапана — сухарями, поперечной шпилькой и резьбовое.

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. Особенное значение имеет проработка формы фаски сёдел впускных клапанов, через которые осуществляет наполнение цилиндров рабочей смесью.[8]

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. Могут быть цилиндрическими или коническими, иметь постоянный или переменный шаг навивки. Для предотвращения износа опорной поверхности головки цилиндров и фиксации пружины под неё подкладываются стальные опорные шайбы.[5][7][8][9]

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]

Газораспределительный механизм двигателя начала XX века. Впускной клапан A — автоматически действующий, выпускной В — с приводом от кулачка G распредвала L, осуществляемого через роликовый толкатель H.

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. Вал вращается в подшипниках скольжения, от осевого смещения удерживается обычно упорными полукольцами из стали, иногда с алюминиевым покрытием на рабочей поверхности, бронзы, антифрикционной металлокерамики или пластмассы.

В двигателях старого выпуска от распределительного вала часто осуществлялся привод других агрегатов двигателя — масляного и топливного насосов, прерывателя-распределителя зажигания, иногда даже стеклоочистителя. На современных двигателях топливный насос имеет электропривод, прерыватель-распределитель отсутствует и полностью заменён на электронную систему управления, а масляный насос обычно приводится непосредственно от коленчатого вала цепью или шестерней.

В двигателях начала XX века иногда могли использоваться автоматически действующие впускные клапана, срабатывающие за счёт перепада давления между атмосферой и разрежением во впускном коллекторе, однако на высоких оборотах они работали неудовлетворительно, и вскоре вышли из употребления (выпускные клапана сохраняли привод от распредвала).[10]

Между кулачками распределительного вала и стержнями клапанов для передачи усилия устанавливаются передаточный звенья, конструкция которых зависит от типа газораспределительного механизма двигателя.

В двигателях с нижним расположением распределительного вала для снятия усилия с его кулачков используются толкатели, установленные в отверстия в блоке цилиндров, выполненные над постелью распредвала. От толкателя усилие может передаваться непосредственно на стержень клапана (в нижнеклапанных моторах) или через приводную штангу на приводящее в действие стержень клапана коромысло, меняющее направление усилия на противоположное (в верхнеклапанных моторах со штанговым приводом клапанов).[8]

Различают толкатели цилиндрические, тарельчатые (грибовидные) и роликовые. У первых двух типов опорная поверхность, находящаяся в контакте с кулачком распредвала, плоская либо сферическая, у роликовых толкателей же в контакте с кулачком распредвала находится ролик из твёрдой стали с высокими противоизносными свойствами, что позволяет значительно увеличить долговечность узла и снизить требования к противозадирным качествам смазочного масла — такая конструкция ранее применялась в основном на дизелях, но начиная с 1980-х годов получила широкое распространение. Толкатель с плоской или сферической опорной поверхностью для предотвращения преждевременного износа должен при работе вращаться вокруг своей вертикальной оси, что при плоской опорной поверхности достигается его смещением относительно оси кулачка, а при сферической — использованием кулачков со скошенной поверхностью.[8]

В дизельных двигателях большого рабочего объёма иногда применяются качающиеся роликовые толкатели, представляющие собой качающийся рычажок с отверстием под ось с одного конца и находящимся в контакте с кулачком распредвала роликом с другого, усилие снимается с расположенной на рычажке сверху стальной пяты, на которую опирается штанга коромысла, что позволяет за счёт наличия у такого толкателя некоего передаточного отношения получить большое усилие, требуемое для привода газораспределительного механизма такого двигателя.[8]

В современных моторах в толкателях часто размещают гидравлические компенсаторы клапанного зазора, в таком случае толкатели иногда называют гидравлическими. Они обеспечивают постоянный беззазорный контакт между деталями привода клапанов, что устраняет звук при работе двигателя и снижает износ благодаря устранению ударных нагрузок. Иногда гидрокомпенсаторы могут устанавливаться и внутри коромысел.[8]

В двигателях с верхним расположением распределительного вала для привода клапанов используются либо рычаги (двуплечие или одноплечие), имеющие, в зависимости от конкретной конструкции, название коромысел или рокеров (рычажные толкатели), либо короткие цилиндрические толкатели, расположенные под распределительным валом, непосредственно между его кулачками и стержнями клапанов.[8]

При работе двигателя, особенно под высокими нагрузками, стержень клапана удлиняется на бо́льшую длину, чем другие детали головки цилиндра, так как клапан испытывает дополнительную тепловую нагрузку за счёт омывания его тарелки, выступающей в камеру сгорания, горячими газами, в то время, как остальная головка цилиндров обычно имеет жидкостное охлаждение, и её температура не превышает 100…120°С (в двигателях с жидкостной системой охлаждения). При этом выбирается выставленный при регулировке двигателя тепловой зазор между клапаном и приводящей его деталью, в результате чего после прогрева двигателя ГРМ начинает работать практически бесшумно. При неправильной регулировке теплового зазора, перегреве клапана, износе фаски его головки или седла предусмотренный конструкцией двигателя тепловой зазор в приводе клапанов может отсутствовать, в результате чего клапана теряют герметичность и начинают прогорать.[5]

В настоящее время большинство двигателей оснащаются системой автоматического регулирования теплового зазора в приводе клапанов, осуществляемого за счёт использования гидравлических компенсаторов клапанного зазора (в двигателях с приводом клапанов толкателями) или гидравлических упоров (в двигателях с рычажным приводом клапанов). Благодаря давлению масла, заполняющего внутреннюю полость гидравлического элемента, кулачок распределительного вала постоянно находится в контакте с передаточными звеньями ГРМ, что устраняет необходимость регулировки, а также повышает надёжность двигателя за счёт предотвращения возможности прогара клапана из-за износа его фаски или седла. После остановки двигателя на долгий срок масло из гидравлического элемента выдавливается, в результате чего после повторного пуска некоторые клапана могут издавать стук в течение нескольких минут. Длительность работы двигателя со стуком клапанов увеличивается по мере износа плунжерных пар гидрокомпенсаторов или гидроупоров. Кроме того, эти устройства чувствительны к вспениванию масла, поскольку при попадании внутрь плунжерной пары масла с воздухом она теряет работоспособность.[5]

С гильзовым управлением газораспределением[править | править код]

Гильзовое газораспределение системы Найта.

Устройство ГРМ двигателя Argyll с вращающимися гильзами (система Бёрта-МакКаллума).

Газораспределение на Bristol Perseus

Эта конструкция впервые была разработана американским инженером Чарльзом Найтом (Charles Yale Knight), часто по его фамилии называется «системой Найта»[en], хотя Найт разработал лишь один из типов гильзового газораспределения — с двумя скользящими гильзами, расположенными одна внутри другой и движущимися в противоположных направлениях. В такой конструкции гильза цилиндра выполняется в виде подвижной вдоль оси цилиндра детали, имеющей привод от распределительного вала через пару косозубых шестерён. Этот привод обеспечивает перемещение гильзы вверх-вниз, синхронизированное с движением поршня. Окна в стенках гильзы при этом в определённый момент оказываются напротив ответных окон в стенке цилиндра, тогда через них осуществляется впуск рабочей смеси и выпуск отработанных газов.

Главное преимущество гильзового газораспределения — полная бесшумность работы двигателя, поскольку в его работе полностью отсутствуют удары деталей друг о друга. Кроме того, для неё характерны высокая долговечность, нетребовательность к обслуживанию и хорошее наполнение цилиндров бензовоздушной смесью за счёт большого размера и меньшего сопротивления окон в гильзах по сравнению с каналами клапанов — особенно относительно нижнеклапанных двигателей.

В то же время, двигатель с гильзовым газораспределением сложен по конструкции, нетехнологичен и дорог в изготовлении. Кроме того, неистребимым недостатком системы со скользящими гильзами являлся высокий расход масла на угар — обеспечить надёжное уплотнение пары трения «цилиндр — гильза» было практически невозможно, так что масло в значительных количествах прорывалось внутрь цилиндра, где сгорало вместе с рабочей смесью.

Применялась в основном 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 Hercules. Аналогичные конструкции широко применялись и на паровых двигателях.

На британских авиадвигателях применялась не система Найта, а система МакКаллума, в которой гильзы (одна на цилиндр) 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.

Преимущества этой системы были особенно заметны по сравнению с нижнеклапанными автомобильными двигателями первой половины XX века, после появления гидрокомпенсаторов клапанного зазора и массового распространения верхнеклапанных ГРМ традиционного типа они практически исчезли. Тем не менее, впоследствии, вплоть до нашего времени, ряд исследователей высказывал мнение, что в двигателях будущего возможен возврат к системе Найта или иному виду гильзового газораспределения.

Разновидности компоновок ДВС

В отдельную категорию необходимо вывести виды двигателей в зависимости от количества распредвалов. Под капотами современных авто можно встретить:

  • ГРМ с одним валом (SOHC — Single OverHead Camshaft);
  • ГРМ с двумя валами (DOHC — Double OverHead Camshaft);
  • ГРМ с более чем двумя распределительными валами.

Первые две разновидности наиболее распространены. Как правило, количество распредвалов определяется числом клапанов на цилиндр. Так, если у мотора автомобиля приходится три и более клапана на один цилиндр, то, скорее всего, в этом случае мы имеем дело с двухвальной схемой.

Естественно, как и в любом правиле встречаются исключения. Например, у рядной «четвёрки» 4G18 от Mitsubishi Lancer. В этом двигателе по четыре клапана у каждого цилиндра, но всего один распредвал. Бывают и более экзотические варианты – у суперкара Bugatti Veyron целых четыре распределительных вала.

Конечно же, в этой небольшой статье сложно уместить все нюансы, связанные с работой газораспределительных механизмов. Автопроизводители с завидным постоянством выдают на гора всё новые и новые технологические решения, улучшающие эффективность ГРМ и моторов за счёт возможности изменения фаз газораспределения.

К примеру, можно вспомнить систему VTEC от Honda, в которой используется несколько кулачков для регулировки высоты поднятия одного клапана.

Подвожу черту под рассказом о том, что такое распределительный вал, но продолжу публиковать материалы, раскрывающие секреты работы других узлов двигателя в рубрике Двигатель.

 

Возможные неисправности ГРМ

Судить о неисправности газораспределительной системы можно по следующим внешним признакам:

  1. Уменьшение компрессии, хлопки в трубопроводах. Происходит по причине неплотного прилегания клапанов к седлам из-за образовавшегося нагара, раковин на рабочей поверхности, при деформации головок клапанов, прогорании клапана, поломке пружин, заедании стержня во втулке или отсутствием зазора между клапаном и коромыслом.
  2. Падение мощности и резкие металлические стуки происходят из-за неполного открытия клапанов. Причиной неполадки выступает большой тепловой зазор или отказ гидрокомпенсатора.
  3. Износ шестерни распредвала, втулок и осей коромысел, направляющих втулок клапанов, заметное осевое смещение распределительного вала.
  4. Выход из строя цепи, зубчатого ремня, а также успокоителя для цепи, и натяжителя для зубчатого ремня.

Эксплуатация и ремонт распредвалов

Распределительный вал— деталь достаточно надежная, которая «проходит» как минимум, до первого серьезного ремонта двигателя. В случае, если у вас классическая модель двигателя без гидрокомпенсаторов, через каждые 10-15 тысяч километров необходимо контролировать зазоры распредвала с рокерами, выполнять их настройку. Во всех типах двигателей следует контролировать натяжку ремня или цепи ГРМ. Подобные узлы имеют ограниченный ресурс работы. Со временем цепи могут растягиваться и задевать в работе блок двигателя.

Неисправности распредвалов

Распредвалы, как и все «трущиеся» детали, подвергаются механическому износу. Также приходят в негодность подшипники, может разрушится и потерять форму сальник распредвала. Поломка распредвала может в последствии вывести из строя другие механизмы двигателя.

Причинами подобных проблем могут быть:

  • естественный износ распредвала;
  • низкое качество масла;
  • недостаточное давление масла;
  • недостаточный уровень масла;
  • нарушения температурных режимов работы двигателя (вне рабочего диапазона температур масло становится жидким и частично теряет свои свойства);
  • механические повреждения, например натяжной ролик и ремень распредвала имеют ограниченный срок эксплуатации, при разрыве ремня ГРМ двигатель и распредвалы могут получить значительный урон.

Повреждение распределительного вала

Распределительные валы считаются износостойкими деталями двигателя и обычно служат весь срок службы автомобиля. Именно поэтому повреждение распредвала является редким явлением. Особенно если речь идет о старых автомобилях. В более современных моторах распредвал имеет больше рисков повреждения, но тем не менее дефекты этой детали также редки.

Правда, если современное авто использовать в нормальном режиме. Если же часто ездить на высоких оборотах двигателя («винтить» машину), то распредвал в современном моторе выйдет из строя намного раньше, чем в старой машине. Но опять же это касается не всех автомобилей. Все зависит от того, какой распредвал использует автопроизводитель и какая конструкция ГРМ в моторе.

Значительные следы износа на вкладышах подшипников распределительного вала: если поверхности подшипников распределительного вала повреждены, то достаточно заменить вкладыши.

Распределительный вал, как правило, имеет подшипники, в корпусах которых есть небольшие отверстия. Эти отверстия соединены с масляным контуром двигателя, благодаря чему между рабочими поверхностями распределительного вала и вкладышами подшипников есть постоянная смазочная пленка, которая уменьшает трение между этими компонентами. Однако некоторые двигатели спроектированы так, что распредвалы работают без вкладышей подшипников.

В таких моторах при отсутствии подачи масла или чрезмерного напряжения двигателя (например, при больших скоростях) начинается ускоренный износ распредвала. Также в таких моторах при большой нагрузке на двигатель кулачки, постоянно вынужденные прижимать клапаны сопротивляясь силы прижимной пружины), при недостаточной смазки могут изменять время вывода клапанов. Из-за того, что клапаны открываются и закрываются в неподходящее время, они больше не достигают своего максимально предусмотренного хода.

В итоге это отражается на плавности хода и мощности, которая падает. Также подобную проблему несвоевременного открытия и закрытия клапанов можно заметить по работе двигателя на холостых оборотах. К сожалению, неправильная работа клапанов двигателя может привести к его повреждению.

Потеря масла при повреждении сальника распределительного вала

Как мы уже сказали, распределительный вал соединен с коленчатым валом через шестерню распредвала, который вращается с помощью цепи газораспределения или зубчатого ремня ГРМ. В этой точке есть уплотнительное резиновое кольцо (сальник), которое с течением времени может затвердеть или стать пористым. В результате сальник перестанет выполнять функцию уплотнения и начнется течь масла из-под сальника распредвала.

В этом случае течь масла должна быть устранена как можно скорее. Особенно если в вашей машине используется ремень ГРМ. Дело в том, что попадание на ремень ГРМ моторного масла нежелательно, поскольку это может привести к преждевременному износу ремня. В итоге он может неожиданно порваться. К сожалению, во многих современных автомобилях используются двигатели, в которых при повреждении ремня ГРМ клапана могут встретиться с поршнями, что приведет к серьезному повреждению двигателя.

Сальник распредвала стоит очень дешево. Но вот поменять его очень сложно. Следовательно, замена сальника распределительного вала — дорогое удовольствие, поскольку для того чтобы его поменять, нужно снять ремень или цепь ГРМ. В некоторых автомобилях, чтобы это сделать, придется разобрать пол автомобиля в передней части. Именно поэтому многие автолюбители не спешат с заменой сальника, мирясь с течью масла с распредвала, откладывая замену уплотнителя на тот момент, когда согласно регламенту, необходимо планово менять ремень или цепь ГРМ. Ведь в этом случае вам так и так придется все разбирать. Но это далеко не лучшее решение.

Датчик положения распредвала

Датчик распределительного вала определяет текущее положение распредвала. В зависимости от показаний датчика коленвала и датчика распредвала блок управления двигателем решает, как делать впрыск топлива и как управлять детонацией силового агрегата.

Датчики распредвала довольно-таки часто выходят из строя. Как правило, при неисправностях датчика начинают плавать обороты двигателя на холостом ходу. Также на приборной панели автомобиля появляется значок «Чек двигателя», а в памяти компьютера записывается код ошибки блока управления двигателем, по которой при диагностике можно расшифровать причину появления индикации «Чек двигателя».

Замена датчика распредвала относительно несложная. Обычно для этого не нужно даже снимать клапанную крышку двигателя. Но все, конечно, зависит от конструкции двигателя, от марки и модели. В среднем для того чтобы заменить датчик распределительного вала, необходимо от 30 минут до 2 часов времени. Сам датчик стоит ориентировочно от 2000 до 6000 рублей. Но стоимость, безусловно, зависит от автомобиля. Сами понимаете, что датчик распредвала на премиальных авто может обойтись в круглую сумму.

Явление питтинга встречается преимущественно в высокооборотных мотоциклетных двигателях. Но иногда это явление наблюдается и в двигателях легковых автомобилей. Питтинг в переводе с английского — «яма». Таким образом, питтинг распредвала означает, что на его поверхности начинают появляться углубления.

Из-за поврежденной поверхности распредвала в этих местах смазка становится неоптимальна, что ведет к преждевременному износу распределительного вала и его компонентов. Кроме того, отслоившийся металл является серьезной проблемой в масляном контуре двигателя, поскольку эти частицы металла приводят к засорению мотора и могут спровоцировать его повреждение.

Системы фаз газораспределения

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.

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.

Диагностика и ремонт распредвала

Возможные проблемы с распредвалом выдает шум при его работе. Причиной шума может быть подшипник распредвала, требующий замены.

Если стучит распредвал, вероятней всего, выработка рабочих поверхностей привела к критичным люфтам. Обычно валы имеют допуски на размер выработки и искривления. В случае возникновения шумов необходимо выполнить замеры поверхностей распредвала. Стук распредвала — повод срочно обратится в сервисный центр.

Падение давления масла в двигателе также может указывать на износ распредвала.

Замер диаметра шеек распредвала микрометром

Если появилась ошибка ЭБУ о нарушении сигнала дпрв (датчик положения распредвала), то необходимо проверить сам датчик. Со временем датчики могут выходить из строя, либо проблема только в контактах, загорается «чек». Замена датчика распредвала точно решит проблему, ошибка должна погаснуть.

Как проверить распредвал? Самый надежный способ — снять распредвалы. Если они имеют явные, ощутимые задиры и полосы, необходимо восстановление либо замена. Для определения точных значений выработки потребуются микрометры различных модификаций. В случае, если ремонт неизбежен, необходимо выполнить полноценную диагностику головки блока цилиндров и всех узлов ГРМ.

 

Выработка на шейке распредвала

Как восстановить распредвалы? Распредвалы, имеющие допустимые размеры выработки и кривизны, подлежат восстановлению. В случае относительно небольшого износа вал лишь немного корректируют шлифовкой. При более значительном износе на поверхности наносится гальваническое напыление хрома или железа. Когда требуется значительное восстановление, выполняется наплавка металла с помощью газовой либо электродуговой сварки. После выполняется точная подгонка поверхностей контакта. Постель распредвала (место, куда устанавливается распределительный вал) протачивается на специальном станке либо вручную с помощью «разверток». Все элементы тщательно шлифуются, доводятся до номинальных размеров. Подобные процедуры требуют серьезных знаний технологии процесса и наличия специального оборудования.

Различные развертки для посадочных мест шеек и подшипников распредваловРазличные развертки для посадочных мест шеек и подшипников распредваловНаплавленные кулачки распредвалов перед шлифовкой

Замена распредвала

Как установить новый распредвал самому? Замена распредвала — сложная процедура, но, если вы обладаете необходимыми знаниями и навыками, такую операцию можно выполнить и в условиях домашней мастерской. До начала работ тщательно изучите узлы и механизмы двигателя, и узнайте, как снять его элементы.

Заменить распределительный вал можно двумя способами: снимая или не снимая головку блока цилиндров. Если решитесь «снять голову», учитывайте необходимость покупки новой прокладки.

Головка блока цилиндров ВАЗ 2106
1 — головка цилиндров; 2 — распределительный вал; 3 — задний корпус подшипников распределительного вала; 4 — прокладка; 5 — крышка головки цилиндров; 6 — передний корпус подшипников распределительного вала; 7 — сальник распредвала

Замена распредвала двигателя ВАЗ 2106

1. Снимаем кожух воздушного фильтра и сам фильтр (он будет мешать работе). Для этого необходимого открутить гайки шпилек кожуха фильтра.

2. Демонтируем крышку головки блока цилиндров (она же «клапанная крышка»).

3. Отгибаем край стопорной шайбы-звездочки распредвала.

4. Ослабляем цепь ГРМ. Для этого необходимо монтировкой ослабить гайку натяжителя изнутри кожуха и зафиксировать его положение затяжкой гайки.

5. Необходимо поставить коленчатый вал в положение 3 — длинная риска (соответствует окончанию сжатия в четвертом цилиндре), а метку звездочки распределительного вала нужно совместить с меткой постели.

Схема меток шкива коленчатого валаЗвездочка распредвала совмещена с меткой

6. Снять болт звездочки распредвала.

7. Цепь и звездочку увязать проволокой, снять звездочку, уложить цепь в блоке.

8. Открутить крепеж корпуса распредвала и снять его со шпилек.

9. Сняв крепеж, демонтировать упорный фланец.

10. Достать распредвал из корпуса.

11. Собрать детали и узлы в обратном порядке. Затягивание болтов следует выполнять, соблюдая порядок и контролируя момент затяжки.

Положение шпонки при сборке

На сегодняшний день распредвал остается незаменимой деталью. При надлежащей эксплуатации он может прослужить вам в течении всего срока эксплуатации двигателя. Установка распредвала без проверки и доработки поверхностей может привести к ускоренному его износу. С заменой распредвала рекомендуют поменять другие элементы, работающие с ним в контакте.

Как выбрать распределительный вал

Новый распредвал необходимо подбирать, исходя из причины замены:

  • Замена испорченной детали на новую. В этом случае взамен вышедшей из строя модели подбирается аналогичная.
  • Модернизация двигателя. Для спортивных автомобилей используются специальные распредвалы совместно с системой смены фаз газораспределения. Моторы для повседневной езды тоже модернизируют, например, повышая мощность за счет регулировки фаз при помощи установки нестандартных распредвалов. Если нет опыта в выполнении таких работ, то лучше это доверить профессионалам.

На что следует ориентироваться, подбирая нестандартный для конкретного двигателя распредвал? Основной параметр – кулачковый развал, максимальный подъем клапана и угол перекрытия.

Стоимость нового распределительного вала

По сравнению с капитальным ремонтом всего двигателя стоимость замены распредвала незначительна. Для примера, новый вал для отечественного автомобиля стоит в пределах 25 долларов. За настройку фаз газораспределения в некоторых мастерских возьмут 70 у.е. За капитальный ремонт мотора вместе с запчастями придется заплатить порядка 250 долларов (и это в гаражных СТО).

Как видно, лучше вовремя проводить техническое обслуживание и не подвергать мотор чрезмерным нагрузкам. Тогда он прослужит своему хозяину долгие годы.

Перспективы развития

Несмотря на элегантность и простоту решения задачи управления газораспределительным механизмом, предложенную инженерами еще полторы сотни лет назад, дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания наталкивается на серьезные ограничения. Дело в том, что распредвал, являясь элементом механической системы не обеспечивает должной гибкости регулирования. Жестко заданные фазы газораспределения подбираются опытным путем на заводе-изготовителе и являются неким компромиссным вариантом, рассчитанным на усредненный режим работы двигателя.

На деле, в различных условиях работы двигателя оптимальными являются разные алгоритмы управления клапанами. Так, в режиме холостого хода узкие фазы более приемлемы, а при увеличении оборотов фазам следует расширяться, входя в перекрытие. Высота подъема клапана также ограничена высотой кулачка и влечет за собой использование «костыля» в виде дроссельной заслонки.

Крупные производители постоянно разрабатывают и патентуют различные системы, позволяющие адаптировать работу ГРМ к внешним условиям. В большинстве своем такие доработки касаются совершенствования формы распредвала и систем его привода. Однако, наиболее вероятным является полный отказ от распредвала и возложение функции управления клапанами на независимые системы линейного перемещения, управляемые электронным блоком управления. Один из опытных образцов такого двигателя был установлен на серийный автомобиль Saab, продемонстрировав увеличение мощности с одновременных снижением расхода топлива.

Источники

  • https://evrasia-today.ru/raspredval/
  • https://auto-ru.ru/raspredelitelnyj-val.html
  • https://avtodvigateli.com/detali/raspredelitelnyj-val.html
  • https://carnovato.ru/raspredval-shkiv-ljuft-zaglushka-fiksatory-vkladyshi/
  • https://tuningsport.ru/articles/tyuningovye-i-sportivnye-raspredvaly/
  • https://voditelauto.ru/%D0%B3%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC/
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC
  • https://auto-gl.ru/raspolozhenie-raspredvala-v-dvigatele/
  • https://AvtoTachki.com/vse-pro-raspredelitelnyj-val-dvigatelya/
  • https://cars-life.org/construction/chto-takoe-raspredval-v-avtomobile/

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об устройстве автомобилей, советы, помощь
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: