ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ

Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает очень важную функцию, а именно своевременную подачу в конкретные цилиндры двигателя горючей смеси или чистого возду­ ха (в зависимости от типа двигателя) и выпуска из этих цилиндров продуктов сгорания во время такта выпуска. Эти процессы происходят в соответствии с принятым для данного двигателя порядком работы цилиндров и фазами газораспределения. В четырехтактных дви­ гателях внутреннего сгорания применяются в основном клапанные механизмы газораспре­ деления.

КЛАПАНЫ

Для работы четырехтактного ДВС требуется как минимум по два клапана на цилиндр — впуск­ ной и выпускной. В настоящее время применяются клапаны тарельчатого типа со стержнем (рис. 2.28). Для улучшения наполнения цилиндра горючей смесью диаметр тарелки впускного клапана делается больше, чем у выпускного. Седла клапанов изготовленные из чугуна или стали, запрессовываются в головку блока цилиндров.

При работе двигателя клапаны подвергаются значительным механическим и тепло­ вым нагрузкам, поэтому для их изготовления применяются специальные сплавы. Иногда для улучшения охлаждения клапанов высокофорсированных двигателей применяют кла­ паны с полым стержнем, который заполняется натрием. Натрий при рабочих температу­ рах плавится и в расплавленном виде перетекает внутри клапана, перенося тепло от бо­ лее нагретой тарелки клапана к стержню. Для лучшей очистки рабочей фаски от нагара и равномерной теплопередачи иногда применяются различные механизмы для вращения клапана.

ГРМ могут быть нижнеклапанными и верхнеклапанными, но в современных двигателях используются только верхнеклапанные ГРМ, когда клапаны располагаются в головке ци­ линдров. Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью пружины, а открывается при нажатии на стержень клапана. Клапанные пружины должны иметь определенную же­

сткость для гарантированного закрытия клапана при работе, но жесткость пружины не должна быть чрезмерной, чтобы не уве­ личивать ударной нагрузки на седло клапа­ на. Иногда для уменьшения возможности резонансных колебаний используются пру­ жины уменьшенной жесткости, но на один клапан устанавливается по две пружины. При использовании двух пружин они долж­ ны быть навиты в разные стороны, чтобы не произошло заклинивания клапана в слу­ чае поломки одной из пружин и попадания ее витка между витками другой пружины. Для снижения потерь на трение в ГРМ сей­ час широко применяются ролики, разме­ щаемые на рычагах и толкателях привода

Рис. 2.28. Клапанклапанов (рис. 2.29а, б).

Рис. 2.29. Замена трения скольжения трением качения путем применения в клапан­ ном механизме роликов дает возможность уменьшить потери на привод клапанов

При открытии (опускании) впускного клапана через кольцевой проход между тарелкой клапана и седлом проходит топливно-воздушная смесь (или воздух) и заполняет цилиндр. Чем больше будет площадь проходного сечения, тем полнее заполнится цилиндр, а следова­ тельно, и выходные показатели этого цилиндра при рабочем ходе будут выше. Для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания желательно также увеличить диаметр тарелки вы­ пускного клапана. Размеры тарелок клапанов ограничены размером камеры сгорания, вы­ полненной в головке цилиндров. Лучшее наполнение цилиндров и их очистка обеспечивают-

Рис. 2.30. Четырехклапанная камера сго­ рания. Применение газораспределитель­ ного механизма с четырьмя клапанами на цилиндр в дизельном двигателе

Рис. 2.31. Трехклапанный ГРМ. Компания DaimlerChrysler утверждает, что ГРМ с дву­ мя впускными, одним выпускным и двумя свечами зажигания обеспечивает незна­ чительное количество вредных веществ в отработавших газах

ся при использовании большего, чем два, числа клапанов на один цилиндр. Большинство со­ временных двигателей имеет по два впускных и по два выпускных клапана на цилиндр (рис. 2.30), хотя встречаются трехклапанные (два впускных и один выпускной) системы и пятиклапанные (три впускных и два выпускных).

Впервые четыре клапана на цилиндр были использованы еще 1912 г. на двигателе авто­ мобиля Peugeot Gran Prix. Широкое использование такой схемы на серийных легковых авто­ мобилях началось только в 1970-е гг. Сейчас ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр стали практически стандартными для двигателей европейских и японских легковых автомобилей. Некоторые из двигателей Mercedes имеют по три клапана на цилиндр, два впускных и один выпускной, с двумя свечами зажигания (по одной с каждой стороны от выпускного клапана) (рис. 2.31). Двигатели некоторых автомобилей группы Volksvagen-Audi и ряд японских двига­ телей используют пять клапанов на цилиндр (три впускных и два выпускных), но при таком числе клапанов значительно усложняется их привод.

ПРИВОД КЛАПАНОВ

Впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются в нужные моменты за счет ку­ лачков, расположенных на распределительном вале или на двух валах: для впускных клапа­ нов и для выпускных. Распределительный вал приводится в действие от коленчатого вала. Для привода распределительного вала могут использоваться шестерни, цепь или зубча­ тый ремень. Поскольку в четырехтактном двигателе каждый клапан открывается только один раз каждые два оборота двигателя, распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее коленчатого вала. Кулачки могут воздействовать непосредственно на тол­ катели клапанов или через коромысла или рычаги. Направляющие втулки клапанов, изготовлены из чугуна, латуни, бронзы или спеченной порошковой композиции и за­ прессованы в головку блока цилиндров. Толкатели имеют цилиндрическую форму и выпол­ нены из стали.

Чем меньше деталей в приводе клапанов, тем меньше масса ГРМ, а следовательно, меньше и силы инерции, мешающие быстрому увеличению оборотов двигателя. Наиболее эффективными в этом случае будут ГРМ с размещенным в головке цилиндров распредели­ тельным валом. Такие двигатели появились в массовом производстве в 1960-е гг. и получи­ ли название ОНС (Overhead Camshaft), что означает верхнее расположение распределитель­ ного вала. Как альтернатива могут использоваться два распределительных вала, по одному для каждого ряда клапанов. Такие двигатели называются «двухвальные верхнеклапанные» DOHC (Double Overhead Camshaft) (рис. 2.32).

Ушли в прошлое нижнеклапанные ГРМ, в которых клапаны располагались не в головке цилиндров, а в блоке, рядом с камерой сгорания, и открывались снизу вверх с помощью про­ стого толкателя от распределительного вала, расположенного в блоке цилиндров рядом с коленчатым валом. В таком двигателе головка цилиндров получалась простой и плоской, но камера сгорания была очень неудачной формы. Такие двигатели выпускались до 50-х гг., а затем их заменили более эффективные верхнеклапанные.

До настоящего времени выпускаются двигатели, у которых клапаны расположены в го­ ловке цилиндров, а распределительный вал размещен в блоке. При такой схеме для приво­ да коромысел клапанов требуются дополнительные толкатели и штанги толкателей. Такие двигатели принято обозначать OHV (Overhead Valve) — верхнеклапанный. Для привода рас­ пределительного вала, расположенного в блоке цилиндров близко к коленчатому валу, можно использовать простую зубчатую передачу. Когда нужно выбрать привод для распределитель­ ных валов, находящихся в головке, приходится выбирать между цепью и зубчатым ремнем. Цепной привод надежнее и более долговечен, чем ременный, но требует смазки и, как след-

Рис. 2.32 а. Конструктивные варианты привода клапанов: а — привод клапанов с по­ мощью штанг при нижнем расположении распределительного вала; б — привод клапанов рычажным толкателем; в — привод клапанов двумя коромыслами от одно­ го кулачка верхнего распределительного вала; г — непосредственный привод от рас­ пределительного вала через толкатель при верхнем расположении клапанов;OHV — верхнеклапанная схема с нижним распределительным валом; ОНС — верхнее расположение распределительного вала; DOHC — схема с двумя распределительными валами верхнего расположения

Рис. 2.32 б. ГРМ двигателя ЗМЗ-4063:1 — поршень; 2 — прокладка головки блока цилиндров; 3 — впускной клапан; 4 — впускной трубопровод; 5 — головка блока цилиндров; 6 — рас­ пределительный вал впускных клапанов; 7 — гидротолкатели; 8 — распределительный вал выпускных клапанов; 9 — крышка головки блока цилиндров; 10 — масломерный щуп; 11 — выпускной коллектор; 12 — выпускной клапан

ствие, герметизации крышки, закрывающей привод. Цепь существенно тяжелее ремня и по­ этому для нее требуется более качественное натяжение и устройство для гашения вибраций. Зубчатые ремни дешевле, но требуют более частого контроля и замены после определенно­ го пробега. Лучшие образцы современных ремней ГРМ могут прослужить без замены более 150 000 км пробега автомобиля.