Газораспределительный механизм двигателя: устройство, принцип работы, назначение, техническое обслуживание и ремонт

Устройство газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания: назначение, принцип работы

Основное назначение газораспределительного механизма (ГРМ) — своевременная подача горючей смеси из топлива и воздуха (топливо-воздушной смеси) в камеру сгорания и вывода газов из цилиндров двигателя.

Работа ГРМ заключается в своевременном открытии-закрытии впускных и выпускных клапанов за что отвечает клапанный механизм.

Принцип действия газораспределительного механизма

Весь рабочий процесс газораспределительного механизма основан на синхронном движении двух валов – коленчатого и распределительного. При этом синхронность движений обеспечивает своевременное открывание клапанов впуска/выпуска на моторных цилиндрах.
При совершении вращательных движений распредвала кулачки наступают на рычаги, которые в свою очередь воздействуют на клапанные стержни, что способствует открытию нужных клапанов.

На следующем повороте распредвала кулачки отталкиваются от рычагов, которые занимают исходные позиции, тем самым закрывая клапаны.

Устройство ГРМ

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания – наиболее распространенный силовой агрегат, использующийся в современном автомобилестроении. Свое название он получил по количеству фаз, необходимых для осуществления одного цикла работы, или поворота коленчатого вала на 720 градусов.

Фаза впрыска топлива или топливно-воздушной смеси, сжатие рабочего тела поршнем, рабочий ход и выпуск отработанных газов. В модели идеального двигателя все фазы разнесены во времени, перекрытие между ними отсутствует, что, в свою очередь, обеспечивает получение максимально возможных рабочих значений мощности, крутящего момента и оборотов двигателя.

На практике, к сожалению, дела обстоят несколько хуже. Устройство газораспределительного механизма, отвечающего за исполнение фазы впрыска топлива и удаление выхлопных газов, его схема и принцип работы – основная тема данной статьи.

Диагностика, обслуживание, ремонт:

4.1. Диагностика

Диагностические признаки:

• •Пониженная мощность двигателя внутреннего сгорания:
• Уменьшенный зазор;
• Неполное прилегание клапанов;
• Заклинивание клапанов. • Повышенный расход топлива:
• Уменьшенный зазор между клапанами и подъемниками;
• Неполное прилегание клапанов;
• Заклинивание клапанов. • Износ в двигателях внутреннего сгорания:
• Износ распредвалов;
• вскрытие кулачков распредвала;
• Увеличенный зазор между стержнями клапанов и их втулками;
• Большой зазор между клапанами и подъемниками;
• перелом, нарушение эластичности пружин клапана. • Низкий показатель давления:
• Седла клапанов мягкие;
• Мягкая или сломанная пружина клапана;
• Прогоревший клапан;
• сгоревшая или порванная прокладка головки блока цилиндров;
• Неотрегулированный тепловой зазор. • Высокий показатель давления.
• Уменьшена высота головы;

Классификация ГРМ

Современные автомобильные двигатели могут быть оснащены различными типами газораспределительных механизмов.

ГРМ классифицируется по четырем категориям:

1. По расположению распределительного вала – верхнее или нижнее расположение;
2. По количеству распределительных валов – один (SOHC — Single OverHead Camshaft) или два (DOHC — Double OverHead Camshaft);
3. По числу клапанов – 2, 3, 4, 5;
4. По приводу распределительного вала – цепной, шестеренчатый и зубчато-ременный

Верхнее расположение вала в цилиндровой головке является самым распространенным и эффективным. Открытие и закрытие клапанов осуществляется от распределительного вала при помощи рычагов (толкателей) привода. Такое расположение распредвала способствует упрощению общей конструкции двигателя, уменьшению его массы, снижению инерционных сил.

Особенности привода ГРМ, цепь и ремень

Шкив привода распределительного вала находится за пределами ГБЦ. Для того чтобы не происходили утечки масла, на шейке вала расположен сальник. Цепь ГРМ приводит весь механизм газораспределения в действие и надевается с одной стороны на ведомую звездочку или шкив, а с другой передает усилие от коленчатого вала.

От ременного привода клапанов зависит корректное и неизменное расположение коленчатого и распределительного валов относительно друг друга. Даже небольшие отклонения в положении могут стать причиной того, что ГРМ, двигатель выйдут из строя.

Наиболее надежной считается цепная передача, использующая ролик ГРМ, однако существуют некоторые проблемы с обеспечением необходимого уровня натяжения ремня. Главной проблемой, с которой сталкиваются водители и которая характерна для цепи механизма, становится ее обрыв, нередко являющийся причиной загиба клапанов.

К числу дополнительных элементов механизма можно отнести ролик ГРМ, используемый для натяжения ремня. К минусам цепного привода газораспределительного механизма, помимо риска обрыва, относят еще и высокий уровень шума во время работы и необходимость его смены каждые 50-60 тысяч километров пробега.

Механизм газораспределения

Содержание

1. Условия работы клапанного механизма
2. Конструкции клапанов
3. Распределительный вал
4. Повреждения клапанов

Механизм газораспределения служит для управления процессами впуска воздуха в цилиндр и выпуска отработавших газов. Состоит из впускных и выпускных органов газораспределения и их приводов.

В четырехтактном двигателе выпускной клапан открывается с опережением до прихода поршня в НМТ. Это необходимо, чтобы с целью улучшения очистки цилиндра начать ее раньше, используя перепад давления между цилиндром и выпускным трубопроводом, и обеспечить полное открытие клапана к моменту начала хода выталкивания газов поршнем (в НМТ). Закрывается клапан с запаздыванием, чтобы создать продувку цилиндра поступающим в него воздухом (фаза перекрытия клапанов называется продувкой).

Опережение открытия впускного клапана служит целям обеспечения продувки и полного открытия в ВМТ (свести к минимуму дросселирование воздуха под клапаном). Запаздывание закрытия впускного клапана служит цели улучшения наполнения цилиндра воздухом путем использования эффекта инерции движения массы воздуха во впускной, системе.

В четырехтактных дизелях применяют клапанное газораспределение (рис. 11.1а). Органами газораспределения являются впускные и выпускные клапаны 10 с клапанными пружинами 9, а привод включает в себя клапанные рычаги 8, сидящие на осях 6 кронштейнов 7, штанги 4, толкатель 5 с роликами 2, кулачковые шайбы 1 распределительного вала и привод от коленчатого вала к распределительному. Для обеспечения плотной посадки клапана на седло в приводе клапана предусматривают зазор В (во время работы дизеля вследствие нагревания шток клапана удлиняется и зазор должен исчезать). Если зазор выбран неправильно, то клапан будет находиться в приоткрытом положении и будет пропуск газов под клапаном, если зазор велик — клапан будет открываться с опозданием. Чтобы избежать отмеченных явлений, предусматривается возможность его регулирования с помощью болта с контргайкой 5. Обычно рекомендуемая величина зазора приводится в инструкции по двигателю.

При набегании выступа кулачковой шайбы 1 на ролик 2 толкателя 3 штанга 4 перемещается вверх и поворачивает клапанный рычаг 8 относительно оси 6. При этом правый конец рычага нажимает на шток клапана 10 и открывает его, сжимая пружину 9. При выходе выступа шайбы из-под ролика толкателя силой упругости пружины клапан закрывается. Необходимые фазы газораспределения (моменты начала открытия и конца закрытия клапанов) и законы движения клапанов определяются профилем кулачковых шайб, углом их заклинки, кинематической схемой клапанного привода и тепловым зазором.

Вертикальное расположение клапанов в цилиндровой крышке обеспечивает наименьший износ их штоков и направляющих втулок, а открытие внутрь цилиндра способствует плотному прилеганию к седлам за счет давления газов. При малых давлениях в цилиндре плотность закрытия клапана зависит от натяжения пружины.

Для уменьшения сил инерции клапанного привода в ВОД часто устанавливают два распределительных вала (для впускных и выпускных клапанов) над цилиндровыми крышками, и кулачные шайбы воздействуют непосредственно на штоки клапанов. Однако при этом усложняется передача от коленчатого вала к распределительным валам и загромождаются цилиндровые крышки.

В двухтактных дизелях с прямоточно-клапанной продувкой применяют клапанно-щелевое газораспределение. Для впуска воздуха в цилиндр служат продувочные окна во втулке, которые открываются и закрываются поршнем, а клапанный механизм управляет выпуском газов.

В двухтактных двигателях старых моделей, так же как и в 4-тактных ДВС, клапан приводится в действие от кулачной шайбы через толкатель, штангу и клапанный рычаг. В новых конструкциях применен гидравлический привод.

В двухтактных дизелях с контурной и прямоточно-щелевой продувками применяют щелевое (бесклапанное) газораспределение. Органами газораспределения являются продувочные и выпускные окна во втулке и поршень, выполняющий функции золотника. У некоторых дизелей ранней постройки продувочные окна перекрыты автоматическими пластинчатыми продувочными клапанами, а выпускные окна -вращающимися заслонками (дизели «Зульцер» типа RD).

Условия работы клапанного механизма

Механические нагрузки вызываются силами давления газов Рг на тарелку клапана 11 (см. рис. 11.1а), силами инерции движущихся частей Рj, упругости клапанных пружин (10) Рn и усилием со стороны толкателя-штанги (3) Рm , являющимся нормальной составляющей от силы давления кулака (1) на толкатель.

В момент начала открытия клапана его скорость возрастает от нуля до максимума. Силы инерции клапанного механизма направлены в сторону, противоположную движению толкателя (к распределительному валу), и будут прижимать ролик толкателя (2) к кулачной шайбе (1). К моменту полного открытия клапана его скорость уменьшается от максимума до нуля, силы инерции имеют противоположное направление (от распределительного вала) и стремятся оторвать ролик толкателя от кулачной шайбы, но этому препятствуют клапанные пружины. В период закрытия клапана действия сил инерции и клапанных пружин будут аналогичными. Отрыв ролика толкателя от кулачной шайбы приводит к повреждению их рабочих поверхностей, ударам в клапанном механизме, разбиванию фасок клапана и седла, нарушению фаз газораспределения. Поэтому сила упругости пружин должна быть всегда больше сил инерции клапанного механизма.

Клапанные пружины испытывают знакопеременную нагрузку, и их материал работает на усталость. Во время работы пружины ее температура возрастает на 40-50°С, а при совпадении частоты собственных колебаний с частотой возмущающей силы может возникать резонанс, приводящий к ее поломке. Клапанные пружины выполняют с разным направлением витков для предотвращения попадания витков одной пружины между витками другой в случае поломки одной из них.

Установка нескольких пружин на один клапан (две, три или четыре) позволяет устранить их резонанс; каждая пружина имеет свой период колебаний и при попадании в резонанс одной из них другие являются гасителями колебаний. При установке нескольких пружин одновременно уменьшаются их размеры, снижаются напряжения в витках, повышается частота собственных колебаний и устойчивость пружин во время работы, повышается надежность работы клапана.

Для уменьшения амплитуды собственных колебаний пружин применяют неравномерный шаг навивки, демпферы колебаний в виде пластинчатых пружин, конические пружины.

Концевые (опорные) витки пружины для образования кольцевой опорной поверхности сближают до соприкосновения и сошлифовывают по плоскости, перпендикулярной к оси пружины.

Клапанные рычаги 8 (см. рис. 11.1а) для обеспечения необходимой жесткости и прочности при возможно меньшей массе изготавливают ковкой или штамповкой и придают им тавровую или двутавровую форму, а штанги 4 выполняют в виде стальных труб с наконечниками различной конструкции.

Высокие термические нагрузки газораспределительных клапанов обусловлены и соприкосновением с горячими газами. Наиболее напряженным является выхлопной клапан. Он воспринимает теплоту через плоскость тарелки от газов в цилиндре (около 80%) и через поверхность перехода от тарелки к штоку от выпускных газов (15%).

Теплота отводится двумя путями: от тарелки 1 (рис. 11.16) к седлу 2 и далее в охлаждающую воду; через шток к направляющей 5 и далее в массу металла и в охлаждающую воду.

Температура тарелки впускного клапана может достигать 300-400°С, а выпускного — 550-800°С. У впускных клапанов температура более низкая, так как они охлаждаются воздухом во время процесса наполнения; тарелка же выпускного клапана в период выпуска омывается горячими газами. Высокие температуры ухудшают механические свойства материала, вызывают высокотемпературную коррозию, эрозию, коробление и неплотное прилегание клапана к седлу, увеличивают опасность заедания штока клапана в направляющей, а иногда приводят к прогоранию тарелки.

К конструкции деталей механизма газораспределения предъявляются следующие основные требования:

• газораспределительные клапаны должны иметь возможно большие проходные сечения (для улучшения очистки цилиндра от газов и наполнения его воздухом), меньшие температуры и массу (для уменьшения сил инерции);
• материал клапанов должен быть жароупорным, износостойким, вязким и не должен закаливаться на воздухе (для предотвращения образования закалочных трещин);
• клапанные пружины должны быть достаточно упругими и иметь высокую усталостную прочность;
• клапанные рычаги, штанги и толкатели должны быть жесткими, прочными при возможно меньшей массе (для уменьшения сил инерции).

Материал:

• впускных клапанов — легированная или углеродистая сталь;
• выпускных клапанов — высоколегированная сталь.

В форсированных дизелях для повышения износостойкости и коррозионной стойкости фаску тарелки клапана (иногда и седла) покрывают стеллитом или изготавливают выхлопные клапаны из нихрома, а шток клапана азотируют; седла клапанов — легированная или углеродистая сталь или сверхпрочный чугун;

• пружины — высокоуглеродистые стали;
• распределительные валы — легированная или углеродистая сталь;
• кулачные шайбы — легированные стали.

Для повышения поверхностной твердости шайбы цементируют и закаливают.

Конструкции клапанов

Клапаны устанавливают непосредственно в крышку цилиндра, что дает возможность увеличить проходные сечения для воздуха и газов, но при этом необходим демонтаж крышки для осмотра и притирки клапанов. В четырехтактных дизелях выпуск газов всегда обеспечивается выталкивающим ходом поршня. Поэтому для улучшения наполнения цилиндра воздухом диаметр впускного клапана иногда увеличивают (приблизительно на 20%) за счет уменьшения диаметра выпускного.

В четырехтактных дизелях обычно применяют два или четыре газораспределительных клапана, а в двухтактных МОД — один клапан. Увеличение числа клапанов усложняет конструкцию цилиндровой крышки, но снижает их механическую и тепловую напряженность за счет уменьшения диаметра и массы.

Клапан без корпуса (см. рис. 11.1а) состоит из штока 10 и тарелки, имеющей коническую рабочую фаску. Чаще всего применяют клапаны с углом фаски 45°, обеспечивающим большую жесткость клапана и плотную его посадку на седло, лучшую самоцентровку во время работы и при притирке, лучший отвод теплоты от тарелки, а также наиболее выгодную форму газового потока при полном открытии клапана.

Фаска тарелки прижимается к седлу, протачиваемому в крышке цилиндра (см. рис. 11.1а), или к съемному седлу 2 (см. рис. 11.16), зафиксированному в крышке пружинящим кольцом 3 или другими способами (запрессовка, развальцовка, зачеканка). Фаску и седло тщательно притирают. Шток клапана перемещается в направляющей втулке 5. Клапан прижимается к седлу пружинами 9, упирающимися в нижнюю и верхнюю 7 и 11 тарелки. Верхняя тарелка крепится коническими полукольцами («сухарями») на конической шейке штока клапана (применяют и другие способы крепления верхней тарелки). Для предотвращения разбивания торца штока в него вставляют закаленный сухарь или устанавливают на него колпачок.

В современных двигателях стали применять седла, рабочей поверхности которых придана W-образная форма с карманом 1, в котором аккумулируется воздух, препятствующий протечке горячих газов в зону контакта с тарелкой клапана.

Клапаны с корпусом (см. рис. 11.3) конструктивно сложнее, имеют меньшее проходное сечение, но удобнее в эксплуатации, так как можно производить их осмотр, притирку и замену без демонтажа цилиндровой крышки.

Из-за наличия теплового зазора в приводе клапана его движение начинается и заканчивается ударом, вызывающим дополнительные напряжения в седле и тарелке, пружине и на поверхностях контакта клапанного механизма. Для обеспечения безударной работы и снижения шума в МОД с прямоточно-клапанной продувкой применяют гидравлический привод клапанов. Гидравлический привод способствует также уменьшению массы движущихся частей и сил инерции клапанного привода, повышению надежности работы.

В рассматриваемой конструкции (рис. 11.3) механический привод клапана заменен на гидравлический. С этой целью на шток клапана надет поршень 6, на который давит масло, поступающее по каналу 7 от гидравлического поршневого усилителя, привод которого осуществляется от установленного на распределительном валу кулачка. Клапанные пружины в новой конструкции устранены, и их функцию выполняет «воздушная пружина» с поршнем 5. При снижении давления масла в приводе клапана его возврат на седло осуществляется воздушной пружиной, в которой сжатый воздух снизу давит на поршень 5 и клапан поднимается и мягко садится на седло, что существенно уменьшает наклеп посадочных поверхностей.

Снижение тепловой напряженности клапанов достигают интенсивным охлаждением цилиндровой крышки в районе седла и непосредственно седла.

В современных мощных МОД и СОД часто предусматривают автоматический поворот клапанов относительно оси во время работы дизеля. Вращение клапанов обеспечивает более равномерное распределение температур в тарелке и меньшую ее деформацию, равномерный износ тарелки и седла и их некоторую самопритирку. Наиболее просто это достигается установкой специальных лопаток на нижней части штока 3, которые под действием газового потока поворачиваются совместно с клапаном.

В ряде случаев для принудительного поворота клапанов применяют специальное устройство («ротокап»). Проворачивание клапанов во время работы обеспечивает более равномерное распределение температур тарелки и увеличение ее ресурса (рис. 11.4).

Распределительный вал

Кулачные шайбы, находящиеся на распределительном валу, служат для управления открытием и закрытием газораспределительных клапанов, а также для привода топливных насосов высокого давления, топливоподкачивающего насоса, воздухораспределителя пусковой системы.

Распределительный вал изготавливают цельным или составным (для упрощения изготовления и монтажа) и устанавливают на разъемных подшипниках. Для предотвращения осевого перемещения вал обычно фиксируют в опорно-упорном подшипнике.

Кулачные шайбы в ВОД обычно отковывают заодно с распределительным валом, а в СОД и МОД выполняют съемными (неразъемными или разъемными). Съемные шайбы 1 (рис. 11.5а) привода газораспределительных клапанов обычно изготавливают неразъемными и крепят на валу шпонками 2 или на гидропрессовой посадке, а шайбы привода ТНВД — чаще всего разъемными и крепят различными способами, позволяющими изменять их угол заклинки относительно распределительного вала.

Кулачная шайба ТНВД дизеля «Бурмейстер и Вайн» имеет симметричный профиль (рис. 11.5б) и состоит из двух половин. Одна из них имеет пазы, в которые входят выступы другой половины, что дает возможность регулировать опережение подачи топлива независимо на передний и задний ход.

На распределительном валу 2 на шпонке 3 установлена втулка 4, имеющая кольцевой паз с внутренним конусом, к которому при помощи болтов прижимается кулачная шайба 5. В последних моделях дизелей применяют составную шайбу с отрицательным профилем (рис. 11.6г).

У дизелей МАН кулачная шайба (рис.11.5в) имеет несимметричный профиль и состоит из двух половин: затылочной 1, сидящей на валу 3 на шпонке 2, и профильной кулачковой шайбы 5, которую можно поворачивать на некоторый угол при помощи болтов 4.

У дизелей «Зульцер» шайба 2 (рис. 11.5д) имеет симметричный профиль и также состоит из двух половин. Шайба свободно сидит на втулке 1, зафиксированной на распределительном валу 5 шпонкой 4 и штифтом 6. Втулка имеет на конце резьбу, на которую навертывается гайка 3; торцовые поверхности гайки, фланца втулки и шайбы конусные.

В четырехтактных реверсивных дизелях устанавливают два комплекта кулачных шайб — один для переднего, другой для заднего хода, а в двухтактных дизелях с прямоточно-клапанной продувкой — один (если реверсирование осуществляется разворотом распределительного вала на определенный угол) или два комплекта (если реверсирование осуществляется осевым сдвигом распределительного вала).

Привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала.

Конструкция привода зависит от расположения распределительного вала: при верхнем расположении (над цилиндровыми крышками), характерном для ВОД, применяют валиковый привод с коническими или винтовыми шестернями; при нижнем и среднем — шестеренный привод.

Для уменьшения размеров шестерен приводы изготавливают с промежуточными шестернями (рис. 11.6а). Промежуточная шестерня 3 находится в зацеплении с ведущей шестерней 4 коленчатого вала и с ведомой шестерней 2 распределительного вала.

Так как у четырехтактного дизеля частота вращения распределительного вала должна быть в два раза меньше частоты вращения коленчатого вала, то шестерня 2 имеет вдвое больший диаметр, чем шестерня 4 (промежуточная шестерня 3 на передаточное число влияния не оказывает). От шестерни 2 приводится также вал регулятора частоты вращения 1.

Цепной привод (рис. 11.66) используют при большом расстоянии между осями коленчатого и распределительного валов, когда шестеренный привод получился бы громоздким и дорогим.

Ведущая звездочка 7 коленчатого вала соединяется со звездочкой 1 распределительного вала тремя одинарными цепями 6. Звездочка 5 является направляющей и используется для привода воздухораспределителя, лубрикаторов и регулятора частоты вращения. Звездочка 2, закрепленная в кронштейне 3, служит для натяжения цепи. Натяжение осуществляется поворотом кронштейна 3 вокруг оси 9 против часовой стрелки. Тяга 4, нагруженная мощной пружиной, передает усилие на кронштейн 3. Цепи движутся по стальным направляющим рельсам 8, облицованным резиной, что предотвращает поперечные колебания цепей. Оси всех звездочек и цепи смазываются маслом.

В новых конструкциях МОД используются гидравлические натяжители цепей (см. рис. 11.7). Смазка цепей осуществляется маслом, подаваемым на них посредством сопел.

Повреждения клапанов

В механизме газораспределения наиболее уязвимым элементом являются впускные и выпускные клапаны, испытывающие высокие механические и тепловые нагрузки. Наибольшую опасность представляют тепловые нагрузки, определяемые условиями работы клапанов в зоне высоких температур омывающих их газов. Наибольшие температуры имеют выхлопные клапаны. Чтобы поднять работоспособность клапанов, двигателестроители стремятся не выходить за пределы 500-520°С.

Причины повреждений.

• При превышении температур сверх 650°С Материал клапанов теряет свои прочностные свойства, одновременно создаются неблагоприятные условия для возникновения высокотемпературной коррозии.
• Часто повторяющиеся смены температур от высоких до низких провоцируют возникновение термоусталостных трещин в зонах перехода тарелки клапана в шток или в районе проточек под сухарики.
• Появление на теле клапана глубоко проникающего окисления и окалинообразования; цвета побежалости на штоке клапана свидетельствуют о высокотемпературном окислении в связи с нагревом штока в его направляющей втулке.
• При превышении температур сверх предела ползучести тарелка клапана деформируется и приобретает форму чаши. При небольших деформациях нарушается плотность посадки, а при более серьезных не исключена поломка тарелки.
• Поломки тарелок возможны также при нарушении фаз газораспределения и ударе клапана по поршню. Более серьезные повреждения происходят при разносе двигателя, сухарики выскакивают из тарелки клапана, клапан проваливается вниз и попадает под поршень. Клапаном пробивается огневое днище крышки цилиндра, вода проникает в камеру сгорания, происходит гидравлический удар в цилиндре, сопровождающийся изгибом шатуна и прочими повреждениями.

Потеря плотности клапанов происходит по ряду причин, к числу которых относятся:

• эрозионное изнашивание посадочного конуса тарелки клапана и его седла, отсутствие вращения;
• отложения кокса и золы на тарелке;
• деформация клапана;
• нарушение центровки оси клапана в направляющей;
• прогорание посадочной поверхности вследствие высокотемпературной коррозии, вызванной наличием в топливе ванадия и натрия;
• низкотемпературная коррозия, вызванная высоким содержанием в топливе серы и низкими температурами клапана (впускные клапаны).

Низкотемпературной коррозии в основном подвергаются впускные клапаны, имеющие более низкую температуру, и поэтому на них, особенно в зоне штоков, конденсируются пары воды и серной кислоты, образующейся при сгорании сернистого топлива. Характерные признаки: наличие питтинговых язвин на штоках и рабочих конусах седел и клапанов, шероховатость и потемнение поверхностей.

Практические рекомендации.

1. Рекомендуется по возможности избегать использования в двигателях топлив с высоким содержанием ванадия (желательно, чтобы его содержание не превышало значений 100… 150 ppm).

2. Следует избегать обводнения топлива морской водой, при случайном попадании воды — осуществлять активную сепарацию с промывкой топлива горячей пресной водой, подаваемой в струю топлива перед сепаратором. Вода, смешиваясь с топливом, растворяет находящиеся в нем соединения натрия и в ходе сепарации удаляется вместе с ними. Уменьшение содержания Na2SO4 в смеси с V2O5, способствует росту температуры плавления, препятствует прилипанию к телу клапана, а значит -уменьшает вероятность развития коррозии последнего.

3. Необходимо принимать меры, направленные на снижение температуры выхлопных клапанов (последняя не должна превышать 530°С, желательный уровень — не выше 450°). Во многом принятие этих мер является предметом забот конструктора двигателя. Однако и судовой механик, вынужденный пользоваться топливом с высоким содержанием ванадия, может отчасти исправить положение, понизив температуру клапанов за счет уменьшения нагрузки двигателя.

Важно отметить, что применение стеллитовой наплавки, изготовление тарелки или всего клапана из нимоника, использование устройств ротокап (механизма проворачивания клапана) повышают ресурс клапанов, но в целом обозначенную здесь проблему они не решают.

4. При использовании топлив с высоким содержанием ванадия полезно вводить в них присадки, в состав которых входит Mg (Ameroid Mark-4, Vecom Fot-SA др.). При сгорании топлива магний окисляется с образованием MgO, температура плавления которого составляет 2800°С. Продукты его взаимодействия с окислами ванадия уже имеют температуру плавления 800-900°С, что значительно превышает температуры клапанов и тем самым исключает опасность прилипания и осаждения агрессивных соединений на клапанах, лопатках турбин и утилизационных котлах. В итоге соединения ванадия в сухом виде уходят из дизеля вместе с продуктами сгорания. Опыт показывает, что эти присадки оказываются довольно эффективными в борьбе с высокотемпературной коррозией и продлением ресурса выхлопных клапанов.

Литература

Судовые двигатели внутреннего сгорания — Возницкий И.В. Пунда А.С. [2010]

• Системы продувки двухтактных двигателей
• Рабочие циклы двухтактных двигателей
• Рабочие циклы четырёхтактных двигателей
• Основные данные двигателей: рабочий объем цилиндра
• Классификация и маркировка двигателей

Плюсы и минусы ременного привода

Ременной привод получил свою популярность за счет своих преимуществ по сравнению с аналогичными видами приводов.

• Несмотря на то что производство таких конструкций сложнее, чем цепных, стоит она значительно дешевле.
• Не требует постоянной смазки, благодаря чему привод был вынесен на внешнюю сторону силового агрегата. Замена и диагностика ГРМ в результате этого значительно облегчились.
• Поскольку в ременном приводе металлические части не взаимодействуют друг с другом, как в цепном, то уровень шума в процессе его работы снизился в разы.

Несмотря на большое количество плюсов, есть у ременного привода и свои минусы. Срок эксплуатации ремня в несколько раз ниже, чем цепи, что становится причиной частой его замены. В случае обрыва ремня с большой вероятностью придется делать ремонт всего двигателя.

Для чего служит ремень?

Ремень газораспределительного механизма представляет собой деталь, назначение которой заключается в выполнении функции связующего звена.

Благодаря ремню ГРМ распределительный и коленчатый вал работают синхронно, что способствует правильному функционированию двигателя в целом. В этом заключается необходимость применения ремешка.

Обозначения на ремешке

Разберем несколько примеров перевода расшифровки на ремне ГРМ:

1. ISO-58111х19. В первых двух цифрах (58) зашифрована серия зубчиков, использующихся на изделии. В этом случае шаг и профиль будут без желобка, форма полукруглая, а высота составляет 3,5 мм. Затем идут три цифры (111), которые указывают на число зубьев. По цифре 19 можно определить ширину изделия. В продаже бывают ремни, зубчики которых выполнены в виде округленной трапеции.
2. 58127х3/4 HSN. Здесь первые две цифры также обозначают серию зубчиков. Цифры 127 указывают на их число, но нужно учесть, что в ремешках, относящихся к серии 40, это количество условно. Цифры 3/4 говорят о ширине изделия в дюймах. В данном случае она также составляет 19 мм. Метка HSN в самом конце обозначает, что изделие изготовлено из прочного высоконасыщенного нитрила. Этот материал доказал свою прочность. Если таких букв в конце нет, то ремешок выполнен из неопренового каучука.

Таблица: Маркировка ремней

Производители могут по-разному обозначать маркировку своих изделий. В таблице показано, как расшифровать значения ГРМ.

Через сколько км нужно менять ремень ГРМ

Причиной остановки работоспособности двигателя может стать обрыв ремня. Поэтому, желательно заблаговременно узнать, на каких двигателях гнет клапана. Положено менять ремень через каждые 60-70 тысяч км. Но, к сожалению, многие водители не успевают заменить ремень газораспределительного механизма. На машинах с 16-ти клапанными двигателями обрыв ремня не нанесет вреда клапанам, а на 8-ми клапанных происходит деформация клапана, который называется «погнуло клапана». Но на 8-ми клапанных двигателях тоже может не сгибать клапана, если двигатель расточен, на поршнях выточены специальные углубления, рассчитанные специально под размер не поднятого клапана.

Общая схема и взаимодействие частей

Своевременное открытие впускных и выхлопных клапанов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания обеспечивается работой газораспределительного механизма или ГРМ.

Данное устройство состоит из распределительного вала с кулачками, необходимого количества коромысел или толкателей клапанов, пружин и собственно клапанов. Шестерня распредвала, ремень или цепь, используемые для передачи вращения от коленвала, и механизм натяжения цепи так же являются частью ГРМ.

1. Фаза впрыска топлива. Поршень начинает движение от верхней мертвой точки к нижней. Открывается клапан подачи горючего, и топливно-воздушная смесь заполняет разреженное пространство цилиндра. Отмерив необходимую дозу ТВС, клапан закрывается. Коленчатый вал повернулся на 180 градусов от начального положения.
2. Фаза сжатия. Достигнув нижней мертвой точки, поршень меняет направление движения к ВМТ, осуществляя сжатие топливно-воздушной смеси. При достижении верхней мертвой точки фаза сжатия рабочего тела оканчивается. Коленчатый вал совершил поворот на 360 градусов.
3. Фаза рабочего хода. В момент нахождения поршня в ВМТ и достижения максимальной расчетной степени сжатия, происходит воспламенение топливно-воздушной смеси. Под действием стремительно расширяющихся газов поршень движется к нижней мертвой точке, совершая рабочий ход. При достижении НМТ третья фаза работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания считается оконченной. Коленчатый вал совершил поворот 540 градусов.
4. Фаза удаления отработанных газов. Под действием коленчатого вала поршень начинает движение к верхней мертвой точке, вытесняя из объема цилиндра продукты сгорания топливно-воздушной смеси через открывшийся выхлопной клапан. По достижении поршнем ВМТ, фаза выхлопа считается завершенной, коленчатый вал совершил оборот на 720 градусов.

Для достижения такой точности по времени открытия впускных и выхлопных клапанов, газораспределительный механизм синхронизирован с оборотами коленчатого вала двигателя. Ремень или цепь передает вращение распределительному валу, кулачки которого, нажимая на коромысла, открывают поочередно впускные и выпускные клапаны ГРМ.

Нижнеклапанные двигатели

Газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания прошел долгий путь от 1900-х годов до наших дней.

Нижнеклапанные двигатели с распредвалом в блоке цилиндров, использовались повсеместно, вплоть до середины двадцатого века. Схема и устройство впускных и выпускных клапанов, расположенных в ряд тарелками вверх, обеспечивала простоту изготовления и малошумность двигателя. Основным минусом подобной конструкции был сложный путь топливно-воздушной смеси, неоптимальный режим наполнения цилиндров, и, как следствие, меньшая мощность силового агрегата.

Газораспределительный механизм такого вида использовался вплоть до 90-х годов двадцатого столетия в грузовых автомобилях. Пример тому – ГАЗ 52, выпуск которого закончился в 1991 году.

Смешанное расположение клапанов

Попытки повысить мощностные характеристики ДВС привели к созданию двигателя со смешанным расположением клапанов. Впускные находились в головке блока цилиндров, а выпускные – в блоке, как у обычного «нижнеклапанника».

Распределительный вал один, так же расположенный в блоке цилиндров. Клапана, отвечающие за впуск топливно-воздушной смеси управлялись посредством штанг – толкателей, через которые передавалось усилие с распредвала, выхлопные – с помощью привычного коромысла.

Такая компоновочная схема обеспечивала более низкую температуру ТВС, и, как следствие, более высокую мощность, по сравнению с нижнеклапанными двигателями внутреннего сгорания.

Верхнеклапанные двигатели

Газораспределительный механизм, клапаны впускной и выхлопной системы которого находятся в головке блока цилиндров, а распредвал – в самом блоке, был сконструирован Дэвидом Бьюиком в самом начале двадцатого столетия. Управление клапанами осуществлялось посредством штанг – толкателей, воздействовавших на коромысла.

Подобная компоновочная схема обладает высокой надежностью, за счет передачи вращения от коленчатого вала к распределительному, с помощью шестерни. Зубчатый ремень, изношенный в процессе эксплуатации, может оборваться, нанеся серьезные повреждения клапанному механизму ГРМ, изношенная же передаточная шестерня лишь немного сдвинет фазы газораспределения, что опытный водитель заметит по изменениям в работе двигателя.

Минусом является некоторая инерционность подобной конструкции, что накладывает ограничения на обороты двигателя, а, следовательно, на крутящий момент и степень форсирования. Использование более чем двух клапанов на цилиндр приводит к усложнению газораспределительного механизма и увеличению габаритных размеров двигателя. Четырехклапанные двигатели такой компоновки используются в грузовых автомобилях КамАЗ, дизельных тепловозных двигателях.

Газораспределительный механизм автомобиля «Волга» двадцать первой модели был устроен именно по верхнеклапанной схеме.

• Двигатели, в которых распредвал и клапаны газораспределительного механизма располагаются в головке блока цилиндров, обозначаются аббревиатурой SOHC. Принцип действия и устройство механизма управления клапанами ГРМ отличается большим разнообразием. Существует схема открытия клапанов при помощи коромысел, рычагов и толкателей. Наибольшее распространение подобное устройство двигателей получило в период с середины 60-х до конца 80-х годов двадцатого столетия. В данный момент такие двигатели устанавливаются на недорогие легковые автомобили.
• Двигатели, газораспределительный механизм которых включает в себя два распредвала, обозначается аббревиатурой DOHC. При использовании двух клапанов на цилиндр, каждый распределительный вал открывает свой ряд клапанов. Такое устройство ГРМ позволяет уменьшить инерцию коленчатого вала, и тем самым значительно увеличивает обороты и мощность ДВС. Принцип работы двигателя, использующего четыре и более клапана на цилиндр, ничем не отличается от вышеописанного. Подобные силовые агрегаты демонстрируют большую, чем у двухклапанных аналогов, мощность и устанавливаются на большинство современных автомобилей.

В двигателях с подобным типом газораспределительного механизма важную роль играет устройство привода распредвалов. В качестве передаточного элемента используется цепь, находящаяся в герметично закрытом объеме, и омывающаяся маслом, или зубчатый ремень, находящийся на внешней стороне двигателя.
Поломка привода ГРМ зачастую приводит к печальным последствиям. Оборвавшийся ремень, износившийся в процессе эксплуатации, вызывает мгновенную остановку распределительного вала, вследствие чего некоторые клапаны остаются в открытом состоянии. Удар поршня по выступающей тарелке наносит серьезные повреждения головке блока цилиндров. В особо тяжелых случаях ремонт невозможен и требуется замена данного элемента двигателя.

Принцип работы

Работу газораспределительного механизма сложно рассматривать отдельно, в отрыве от рабочего цикла двигателя. Ведь его основная задача – это вовремя открыть и закрыть клапана на определенный промежуток времени. Соответственно на такте впуска открываются впускные, а на такте выпуска – выпускные. То есть фактически механизм должен реализовывать рассчитанные фазы газораспределения.

Технически это происходит следующим образом:

1. Коленчатый вал передает крутящий момент посредством привода на распределительный.
2. Кулачок на распределительном валу нажимает на толкатель или коромысло.
3. Клапан перемещается внутрь камеры сгорания, открывая доступ свежему заряду или отработавшим газам.
4. После того как кулачок проходит активную фазу воздействия, клапан возвращается на место под действием пружины.

Стоит также отметить, что за полный рабочий цикл распредвал совершает 2 оборота, попеременно открывая клапана в каждом цилиндре, в зависимости от порядка их работы. То есть, например, при схеме работы 1-3-4-2 в один и тот же момент времени в первом цилиндре будут открыты впускные клапаны, а в четвертом выпускные. Во втором и третьем клапаны будут закрыты.

На опорных поверхностях под шейки коленвала не должно быть никаких даже самых незначительных повреждений, а корпуса подшипников обязаны быть без трещин. После чистки и промывки распредвала обязательно нужно проверить зазор между его шейками и отверстием опоры головки цилиндра.

Газораспределительный механизм имеет 2 свойственные неполадки — неплотное примыкание клапанов к гнездам и невозможность полностью открыть клапаны.

Неплотное примыкание клапанов к гнездам обнаруживается по таким показателям: хлопки, возникающие иногда во впускной либо выпускной трубе, уменьшение мощности мотора. Факторами неплотного закрытия клапанов могут быть:

• возникновение нагара на поверхности клапанов и гнезд;
• формирование раковин на рабочих фасках и искривление головки клапана;
• неисправность пружин клапанов.

Неполное открытие клапанов сопровождается стуком в троящем моторе и уменьшением его мощности. Данная поломка возникает в следствии значительного промежутка меж стержнем клапана и носком коромысла. К характерным поломкам для ГРМ нужно причислить кроме того изнашивание шестерен распредвала, толкателей, направляющих клапана, смещение распредвала и изнашивание втулок и осей коромысел.

Практика демонстрирует, что на газораспределительный механизм приходится примерно четвертая часть всех отказов мотора, а уже на предотвращение этих отказов и восстановление ГРМ уходит 50% трудоёмкости обслуживания и ремонтных работ. Для диагностирования поломок применяют следующие параметры:

1. определяют фазы газораспределительного механизма автомобиля;
2. измеряют тепловой зазор между клапаном и коромыслом;
3. измеряют промежуток между клапаном и седлом.

Измерение фаз газораспределения

Подобное диагностирование ГРМ двигателя выполняется на заглушенном моторе с помощью особого набора устройств, среди которых имеются указатель, моментоскоп, малка-угломер и прочие дополнительные приборы. Для того, чтобы фиксировать период раскрытия впускного клапана на 1-ом цилиндре, необходимо покачивать вокруг своей оси коромысло, а далее направить коленвал мотора до момента появления зазора меж клапаном и коромыслом. Малка-угломер для замера разыскиваемого зазора ставится прямо на шкив коленвала.

Измерение теплового промежутка между клапаном и коромыслом

Тепловой зазор измеряют при помощи набора щупов либо иного особого устройства. Это набор из металлических пластинок длиной в 100мм, толщина которых обязана быть не больше 0,5мм. Коленвал мотора поворачивают вплоть до верхней предельной точки, в период такта сжатия подобранного для контроля цилиндра. Непосредственно благодаря щупам разной толщины, поочередно вставляемым в сформировавшееся отверстие, и измеряется зазор.

Определение промежутка между клапаном и седлом

Газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания прошел долгий путь от 1900-х годов до наших дней.

Устройство десмодромного газораспределительного механизма

Для двигателей, конструкция ГРМ которых допускает использование пружин для закрывания клапанов, существует ограничение по максимальному количеству оборотов в минуту. При достижении значения в 9000 об/мин пружины не смогут обеспечить нужную скорость срабатывания, что неизбежно приведет к поломке двигателя.

Принцип десмодромного ГРМ заключается в использовании двух распределительных валов, один из которых производит открытие, а второй, закрытие клапанов. В таком двигателе нет ограничения на развиваемые обороты, ведь скорость срабатывания механизма напрямую зависит от скорости вращения коленвала.

Создание газораспределительного механизма с изменяемыми фазами стало возможным относительно недавно, с началом использования в двигателестроении бортовых компьютеров и электронных управляющих блоков. Система электромагнитных клапанов, меняющая режим работы согласно команд микропроцессора, позволяет снимать с двигателя мощность, приближающуюся к расчетной, при минимальном расходе топлива.

Клапанный механизм

Конструкция клапанного механизма включает в себя седла клапанов, направляющие втулки, механизм вращения клапана и другие элементы. Усилие от распределительного вала передается на шток либо на промежуточное звено – коромысло клапана, или рокер.

Нередко можно встретить модели ГРМ, требующие постоянной регулировки. Такие конструкции имеют специальные шайбы и болты, вращением которых выставляются необходимые зазоры. Иногда зазоры поддерживаются в автоматическом режиме: регулировка их положения производится гидрокомпенсаторами.

Работа системы клапанов

Каждый клапан оснащается пружиной, которая возвращает его в верхнее (закрытое) положение. Специальный кулачок, расположенный на валу, вращаясь, нажимает на клапан, открывая его в нужный момент. Чтобы пружина не соскользнула, на верхней части клапана делается кольцевая проточка, иногда две или три, в неё вставляется сухарь, к которому прикрепляется тарелка с конусовидным отверстием. Собранный из двух частей сухарь тоже имеет конусную поверхность и надежно удерживает тарелку с пружиной. Собранный таким образом клапан называют «засухаренным».

Приводы ГРМ

В зависимости от конструктивных особенностей двигателя автомобиля и газораспределительного механизма в частности количество приводов и их тип могут меняться.

• Цепной привод. Нескольким ранее данный привод был самым распространенным, однако и сейчас используется в ГРМ дизеля. При такой конструкции распределительный вал располагается в головке блока цилиндров, а в движение приводится посредством цепи, ведущей от шестерни. Минус такого привода – сложный процесс замены ремня, поскольку находится он внутри двигателя с целью обеспечения постоянной смазки.
• Шестеренчатый привод. Устанавливался на двигатели тракторов и некоторых автомобилей. Очень надежный, но при этом крайне сложен в обслуживании. Распределительный вал такого механизма находится ниже блока цилиндров, благодаря чему шестерня распредвала цепляется за шестерню коленчатого вала. Если привод ГРМ такого типа приходил в негодность, двигатель меняли практически полностью.
• Ременной привод. Самый популярный тип, устанавливается на бензиновые силовые агрегаты в легковых автомобилях.

Конструкция ГРМ

Газораспределительный механизм двигателя приводит в движение систему клапанов. В различных моделях автомобилей применяются разные технические решения для обеспечения работы ГРМ, но принцип работы у всех одинаковые и обычный газораспределительный механизм состоит из:

• распределительного вала с установленными на него кулачками;
• системы впускных и выпускных клапанов с тарелочками, закрепленными сухарями;
• рычагов (рокеров) или гидрокомпенсаторов;
• шестерни распределительного вала;
• шестерни коленчатого вала;
• ремня или цепи ГРМ;
• дополнительных шестерней и роликов.

Клапаны предназначены для обеспечения подачи ТВС в цилиндры двигателя и вывода отработанных газов.

Управление этапами газораспределения

Современные модели двигателей претерпели значительные изменения, получив новые управляющие системы, в основе которых лежат микропроцессоры – так называемые ЭБУ. В сфере моторостроения основной задачей стало не только увеличение мощности, но и экономичность выпускаемых силовых агрегатов.

Повысить эксплуатационные показатели двигателей, снизив при этом расход топлива, удалось только с использованием систем контроля ГРМ. Двигатель с такими системами не только потребляет меньше топлива, но и не теряет в мощности, благодаря чему их стали использовать повсеместно при производстве автомобилей.

Принцип работы таких систем заключается в том, что они контролируют скорость вращения распределительного вала ГРМ. По сути, клапаны открываются немного раньше за счет того, что распредвал проворачивается в направлении вращения. Собственно, в современных двигателях распределительный вал больше не вращается относительно коленчатого вала с неизменной скоростью.

Основной задачей остается максимально эффективное наполнение цилиндров двигателя в зависимости от выбранного режима его работы. Такие системы отслеживают состояние двигателя и корректируют подачу топливной смеси: к примеру, при холостом ходе ее объемы сводятся практически к минимуму, поскольку топливо в больших количествах не требуется.

Распределительный вал

Нажимающие на клапана кулачки заставляет двигаться специальный механизм – привод ГРМ, точнее еще один его компонент – газораспределительный вал, который еще называют распредвалом. Кулачки являются его составной частью, а крепится он на специальных опорных шейках в головке блока цилиндров. В зависимости от расположения кулачков на распредвалу, поочередно открываются нужные для нормальной работы двигателя клапана, в чем и состоит принцип работы ГРМ. В некоторых моделях двигателей, где цилиндры расположены не рядно, предусмотрена пара распределительных валов.

Работа системы валов ГРМ

Распредвал приводится в движение посредством коленчатого вала, на конце которого находится шестерня специально подобранного диаметра. Другая шестерня устанавливается на распределительный вал. Передача крутящего момента от коленчатого вала к распределительному передается стальной цепью или ремнем с зубцами под шестерни, который изготовлен из прочной армированной резины. Работа газораспределительного механизма зависит от правильной установки цепи или ремня. В этом случае все клапана открываются в нужный момент, что позволяет воздушно-топливной смеси заходить в цилиндр, сгорать там и выводить отработанные газы. В этом состоит главный принцип работы газораспределительного механизма.

В зависимости от конструкции нажатие на клапан осуществляется непосредственно кулачком на распределительном валу или через рычаг, называемый рокером, на который воздействует кулачок. Назначение и устройство газораспределительного механизма позволяет открывать нужные клапана в момент наступления нужного такта работы двигателя, что обеспечивает ее бесперебойность. Любое нарушение ведёт к сбою в работе вплоть до поломки силового агрегата.

Устройство клапанной группы:

2.1. Устройство клапанов:

Клапаны двигателя состоят из штока и головки. Головки чаще всего делают плоской, выпуклой или колоколообразной формы. Головка имеет небольшой цилиндрический пояс (около 2 мм) и уплотнительную фаску под углом 45˚ или 30˚. Цилиндрическая лента позволяет, с одной стороны, сохранить основной диаметр клапана при шлифовании уплотнительной фаски, а с другой стороны, повысить жесткость клапана и тем самым предотвратить деформацию. Наибольшее распространение получили клапаны с плоской головкой и уплотнительной фаской под углом 45˚ (таковы чаще всего впускные клапаны), а для улучшения наполнения и очистки цилиндров впускной клапан имеет больший диаметр, чем выпускной клапан. Выхлопные клапаны часто делают с выпуклой головкой в ​​форме шара.

Это улучшает отток выхлопных газов из цилиндров, а также увеличивает прочность и жесткость клапана. Чтобы улучшить условия отвода тепла от головки клапана и увеличить общую недеформируемость клапана, переход между головкой и штоком выполнен под углом 10˚ — 30˚ и с большим радиусом кривизны. На верхнем конце стержня клапана выполняются пазы конической, цилиндрической или специальной формы в зависимости от принятого способа крепления пружины к клапану. Натриевое охлаждение используется в ряде двигателей для снижения тепловой нагрузки на разрывные клапаны. Для этого клапан делают полым, а образовавшуюся полость наполовину заполняют натрием, температура плавления которого составляет 100˚С. Когда двигатель работает, натрий плавится и, перемещаясь в полости клапана, передает тепло от горячей головки к штоку охладителя, а оттуда к приводу клапана.