ГРМ - роль газораспределительного механизма в работе двигателя

Газораспределительный механизм (аббревиатура — ГРМ) — набор элементов, гарантирующих правильную работу клапанов впуска / выпуска силового агрегата.

Работа узла синхронизируется с кривошипно-шатунным устройством во избежание контакта поршневых и клапанных механизмов после пуска мотора. Ниже подробно рассмотрим, для чего нужен ГРМ, как он работает, какие бывают виды, и в чем их особенности.

Назначение газораспределительного механизма

Простыми словами, ГРМ необходим для подачи в мотор готовой топливной смеси, а также выпуска в полости цилиндров сгоревшего горючего. Эта функция активна, благодаря клапанам, открывающимся / закрывающимся в конкретный момент времени. На большинстве ДВС используется 4-тактный принцип, обеспечивающий преобразование энергии тепловой в механическую.

Весь процесс проходит в цилиндровой группе, где клапаны и поршни синхронно перемещаются в определенной последовательности с соблюдением фаз. При этом в функции ГРМ входит перемещение клапанов во взаимодействии с коленвалом. В зависимости от ситуации происходит открытие / закрытие впускных / выпускных клапанов.

Условно в назначение ГРМ входит обеспечение работы следующих четырех фаз:

1. Подача горючего. Поршень перемещается от максимально верхней точки вниз, после чего открывается топливный клапан, и в цилиндр подается подготовленное горючее. Форсунка во взаимодействии с ЭБУ выпрыскивает нужный объем воздушно топливной смеси, а клапан перекрывает доступ. При этом коленвал разворачивается на 1800 по отношению к первоначальной позиции.
2. Сжатие. После максимального снижения поршень начинает перемещаться вверх. Параллельно происходит создание нужной компрессии в цилиндре. При достижении максимального уровня процесс сжатия считается оконченным. При этом коленвал полностью разворачивается вокруг оси.
3. Рабочий ход. Как только поршень достигает верхнего уровня, срабатывает свеча, а горючее загорается. Возникает давление, которое толкает поршень к нижней позиции. В результате происходит рабочий ход, а сам процесс движения коленвала считается завершенным. В этот момент узел развернулся на 5400.
4. Вывод отработавших газов. Вместе с вращением коленвала происходи подъем поршня к верхней позиции. При этом газы выдавливаются через своевременно открытый выхлопной клапан. Дальше отработавшие газы выходят через выхлопную трубу. При этом коленвал совершил 720-градусный (двойной) разворот.

Газораспределительный механизм двигателя гаратирует точное и своевременное открытие клапанных узлов впуска / выпуска. При этом ГРМ взаимодействует с коленвалом, а вращение распредвалу передается с помощью цепи, ремня или шестерней. На этом вопросе мы еще остановимся ниже.

Принцип работы

Читайте также: Ремень ГРМ - последствия обрыва

Для понимания принципов работы ГРМ важно знать его структуру, конструктивные особенности и назначение разных элементов. В составе системы клапаны и распредвал с приводами. Каждый из элементов выполняет определенную функцию.

Клапаны

Важно

Ключевой элемент ГРМ, обеспечивающий подачу горючего в цилиндр и вывод отработавших газов. Конструктивно представляет собой стержень, расплющенный к концу.

На новых моторах находятся на ГБЦ, а место контакта является «седлом». Рассматриваемый элемент может предназначаться для впуска и выпуска. Диаметр клапана впуска немного больше.

При изготовлении применяется металлический сплав, обеспечивающий устойчивость к высокой температуре и давлению. Стержневая часть клапана впуска цельная, а выпуска — пустая внутри. В последнем случае внутри используется натриевый состав для более качественного отвода тепла.

Современные моторы, как правило, комплектуются парами клапанов впуска / выпуска. Иными словами, на каждом цилиндре установлено по 4-ре штуки, а всего 16 клапанов. Но бывают и другие варианты — с 2-мя, 3-мя и 5-ю клапанами (об этом ниже). Движение клапанов обеспечивает привод, построенный на гидротолкателях или рычаге роликового типа.

Пружина

Элемент, обеспечивающий фиксацию клапана в закрытом виде. Пружинка установлена на стержне с применением сухарей и тарелки. Жесткости изделия достаточно для плотного закрытия и колебаний в процессе работы.

Роликовый рычаг

Такой узел применяется в большинстве случаев, и именно он играет роль приводного механизма для клапанной системы. Конструктивно рычаг одной частью «стоит» на стержне клапана, а второй — на гидравлических компенсаторах или шаровой. Для уменьшения потерь место контакта кулачка и рычага распредвала делается в роликовой форме.

Гидрокомпенсатор

Применение этого элемента обеспечивает 0-й зазор в любой позиции, что уменьшает шумность и делает работу мотора более мягкой. Гидравлический компенсатор — это специальный цилиндр с подпружиненным поршнем. Устройство ставится прямо на клапанном толкателе.

Распредвал

В функции распредвала двигателя входит обеспечение работы ГРМ с учетом требуемого порядка функционирования цилиндров и фаз. Конструктивно устройство представляет собой вал, где есть кулачки. Именно они воздействуют на клапана и способствуют их открытию-закрытию. При этом форма кулачков обеспечивает необходимое время в открытой или закрытой позиции. 

Дополнительные узлы

В современных моторах часто устанавливаются вспомогательные устройства, обеспечивающие корректное функционирование газораспределительного механизма. В эту группу входит датчик положения распредвала (Холла), определяющий угол расположения и отправляющий сигналы в ЭБУ двигателя. В некоторых авто монтируются системы, регулирующие клапанные зазоры (гидрокомпенсаторы, о которых упоминалось выше).
С учетом сказанного можно рассмотреть алгоритм работы ГРМ в общем виде:

• Стартер вращает коленвал.
• Механическое вращение с помощью ремня, цепочки или звездочек передается на распредвал (может быть два и более).
• Кулачки на валу распределения бьют по клапанам впуска / выпуска, заставляя их открываться и закрываться в нужный момент.
• В поршневой системе реализуется четыре фазы, о которых упоминалось в разделе выше.

На практике существуют образцы моторов без привода ГРМ и распредвала. Минус в том, что такие конструкции имеют низкую степень надежности. 

Классификация ГРМ

При рассмотрении особенностей газораспределительной системы необходимо учитывать, что она может различаться по позиции и числу распредвалов, количеству клапанов и типу приводного механизма (цепь, ремень, шестеренка, комбинированный). Рассмотрим разные варианты подробнее.

По расположению распредвала

Конструктивно распределительный вал может быть расположены в одном из двух мест двигателя:

• Внизу. Механизм закреплен в блоке цилиндрами возле коленвала. Кулачки воздействуют на толкатели, а далее импульс передается к коромыслам. Для передачи механического момента используются так называемые стержни, объединяющие толкатели в нижней части и коромысла вверху. Нахождение распредвала внизу является редким случаем, но у него есть преимущество в большей надежности соединения. В новых ДВС такой вариант не используется.
• Вверху. Наиболее распространенное решение, при котором распредвал расположен в ГБЦ на клапанной частью. В такой позиции можно реализовать разные способы воздействия на клапанную часть: с применением рычажного механизма, с использованием коромысел или толкателей. Верхнее расположение отличается простотой, надежностью и небольшими размерами.

По числу распредвалов: DOHS и SOHS

На современных моторах может устанавливаться один или два распредвала. В первом случае система называется SOHC (одиночный верхний распредвал) или DOHS (двойной верхний распредвал). Как видно, в обоих случаях механизм имеет верхнее расположение.

При использовании двойного варианта каждый из валов имеет индивидуальную функцию. Первый несет ответственность за открытие, а второй — за закрытие клапанного механизма. В V-образных моторах может применяется целых четыре распределительных вала. Они работают попарно на обе группы цилиндров.

По числу клапанов

Ключевым фактором является количество применяемых клапанов, ведь от этого зависит вид распредвала и число кулачков. По количеству клапанов на один цилиндр может быть от двух до пяти.
Кратко рассмотрим основные варианты по количеству клапанов:

• Два: впуск, выпуск.
• Три: 2 впуск, 1 выпуск.
• Четыре: по 2 на впуск / выпуск.
• Пять: 3 впуск, 2 выпуск.

Чем выше число клапанов на впускной системе, тем больше объем горючего поступает в мотор.

Как результат, увеличивается мощность и динамика мотора. Сразу отметим, что больше пяти клапанов установить невозможно из-за особенностей распределительного вала и других механизмов мотора. Чаще всего система ограничивается четырьмя элементами.

По типу привода

При анализе газораспределительного механизма необходимо учитывать и типы привода. Здесь возможно четыре варианта.

Цепной

Наиболее надежным вариантом является цепь ГРМ. В таком случае на распределительном и коленчатом валах монтируются звездочки (шестерни с зубцами). Они объединяются с помощью специальной цепочки, а сверху система закрывается специальным корпусом. При вращении коленвала звездочка тянет цепь, которая, в свою очередь, вращается шестеренку распредвала.

Конструктивно цепи отличаются по типу или числу рядов. В первом случае они делятся на зубчатые, роликовые и втулочные, а втором бывают от двух-четырех рядными. При наличии нескольких распредвалов может применяться соответствующее количество цепей.

Средний ресурс такого механизма — 170-200 тыс. километров. Чаще всего повреждаются шестерни или дополнительные узлы (натяжители, успокоители). В результате цепочка перескакивает на другие участки, что приводит к нарушению работы ГРМ и повреждению клапанов. В случае поломки может потребоваться замена цепи и вспомогательных механизмов.

Ременной

Второй по популярности —ремень ГРМ. В отличие от рассмотренного выше варианта здесь на валах установлены шкивы или зубчатые шестеренки. Сверху этих узлов натягивается ременной соединитель, обеспечивающий передачу вращения. Ремень может быть клиновым (зубчатым) и поликлиновым. В первом случае на валах монтируются шестерни с зубцами.

Дополнительно в ременном приводе предусмотрено несколько видов роликов (натягивающие, опорные). Первые обеспечивают нужное натяжение ремня, а вторые играют роль опоры и защищают от соскальзывания.

Повреждение ремня или дополнительных элементов ведет к неправильной работе ГРМ и чаще всего к повреждению мотора. Хуже всего, если происходит разрыв ременной передачи. Результатом является удар клапанов и поршней с повреждением механизма. 

Шестеренчатый

Такой вариант привода применяется в редких случаях. Конструктивно он подразумевает наличие шестеренок на коленвал и распредвал, которые объединяются друг с другом не с помощью ремня / цепи, а с применением других шестеренок. По сути, повторяется принцип работы часов, когда момент передается с помощью зацепления зубцов разных звездочек.

Редкость применения такого привода объясняется тем, что распределительный и коленчатые валы находятся сверху и снизу соответственно на большом расстоянии. Вот почему приходится использовать ремень или цепь. Если же оба механизма находятся внизу, применение шестеренчатого принципа вполне реально. При этом он надежен, но имеет большую сложность. Встречается у Ниссанов на моторах AXD, AXE или BLJ. Наиболее слабым местом являются зубцы звездочек, которые могут поломаться.

Смешанный

Некоторые производители применяют смешанный вариант, когда используются шестеренчатый и цепной приводы.

Таких схем много, но применяются они в редких случаях. Иногда даже используется цепь и ремень одновременно. Вариантов десятки, поэтому при покупке машины необходимо поинтересоваться, какой именно предусмотрен в вашем случае. Чаще всего сложные моторы встречаются в японских или корейских ДВС.

Заключение

Важность системы ГРМ трудно переоценить, ведь именно от ее правильной работы зависит способность двигателя нормально функционировать. Повреждение любого из узлов или нарушение синхронизации может стать причиной повреждения внутренних элементов мотора и, как следствие, необходимости его капитального ремонта.