Газораспределительный механизм

О газораспределительных механизмах карбюраторных двухтактных двигателей см. Двухтактный двигатель

Разрез цилиндра с двухвальным ГРМ.

Газораспределительный механизм (ГРМ) — механизм своевременного распределения впуска горючей смеси и выпуска отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания.

Осуществляется путём перекрытия и открытия поршнями продувочных окон цилиндров в двухтактных двигателях, либо открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (в четырехтактных двигателях), имеющих привод от распределительного вала (распредвала) и кулачкового механизма. Распредвал имеет жёсткую синхронизацию вращения с коленвалом, реализованную с помощью шестерёнчатой, зубчаторемённой или цепной передачи.

Как правило, на высокофорсированных двигателях обрыв или проскальзывание ремня или цепи ГРМ приводит к выходу двигателя из строя по причине удара поршней об открытые клапаны.

Типология ГРМ

По расположению распределительного вала выделяют двигатели:

• С распредвалом, расположенным в блоке цилиндров (Cam-in-Block);
• С распредвалом, расположенным в головке блока цилиндров (Cam-in-Head).

Эти два типа разделяются на целый ряд подтипов в зависимости от расположения и конфигурации клапанов^[1].

Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров

Нижнеклапанные

Ford Flathead. 1942 год.

Нижнеклапанный двигатель (англ. «L-Head», «Flathead», SV, «Side-Valve») — двигатель, у которого распредвал расположен в блоке и клапаны расположены также в блоке, в ряд сбоку от цилиндров, тарелками вверх. Привод непосредственно от расположенного под ними распредвала.

Плюсы схемы — малая шумность (при наличии гидравлических толкателей или хорошей регулировке клапанов такие моторы практически бесшумны), простота изготовления. Минусы — из-за сложного пути бензовоздушной смеси значительно ухудшается наполнение цилиндров, как следствие — достигается ощутимо меньшая мощность по сравнению с остальными конфигурациями. Кроме того, долгий путь выхлопных газов может способствовать перегреву двигателей, работающих в тяжёлых условиях.

Вплоть до 1950-х годов, благодаря своей простоте и дешевизне, двигатели с таким ГРМ были наиболее распространены на легковых (кроме спортивных) и грузовых автомобилях. В 1930-х — 50-х годах в Европе и 1950-х в США стали массово внедрять верхнеклапанные двигатели, лишённые присущих нижнеклапанной схеме недостатков. На грузовых автомобилях эта схема использовалась намного дольше, например, грузовик ГАЗ-52 выпускался до 1990-х годов, за рубежом также были примеры весьма долго выпускавшихся нижнеклапанных двигателей.

Разновидностью схемы были имевшие некоторое распространение до Второй мировой войны двигатели с типом ГРМ, называемым «T-Head» (русский аналог термина отсутствует). У них впускные клапаны находились с одной стороны блока цилиндров, а выпускные — с другой. Соответственно, распределительных валов также было два. Цель такой конструкции — устранить эффект перегрева впускных клапанов. Дело в том, что низкооктановый бензин, доступный в начале XX века, отличался высокой склонностью к детонации, что делало применение этой схемы в какой-то мере выгодным — более холодная бензовоздушная смесь имеет несколько более высокое октановое число (на этом же принципе работал впрыск воды в цилиндры, охлаждавшей рабочую смесь — конструкция, также имевшая хождение в те годы). Таким двигателем, в числе прочих, оснащались первые модели «Руссо-Балта».

Двигатель получался громоздким, дорогим, поэтому схема не получила особого распространения.

Со смешанным расположением клапанов

Так же встречается обозначение — «F-Head». У такого двигателя обычно впускные клапаны находятся в головке блока, как у верхнеклапанного мотора, и приводятся в действие при помощи штанг-толкателей, а выпускные — в блоке, как у нижнеклапанного двигателя. Распределительный вал был один и был расположен в блоке, как у обычного нижнеклапанного мотора.

Эта схема обладает тем преимуществом, что её мощность ощутимо выше, чем у «чистого» нижнеклапанного. Как правило, такие двигатели переделывались из нижнеклапанных в качестве меры текущей модернизации.

Подобные «полуверхнеклапанные» переделки существовали и в СССР — это были спортивные двигатели на базе агрегатов автомобилей «Москвич», «Победа» и «ЗиМ». Выигрыш в мощности, в сочетании с иными мерами форсировки, был значительным — до 20…40 л.с., при исходной мощности самих указанных двигателей в 35, 50 и 90 л.с., соответственно.

За рубежом, такие двигатели широко применялись фирмами «Rolls-Royce» и «Rover» благодаря их высокой надёжности как по сравнению с нижнеклапанными (из-за хорошего охлаждения верхних клапанов), так и по сравнению с ранними верхнеклапанными двигателями (из-за вдвое меньшего числа штанг-толкателей).

С появлением «настоящих» верхнеклапанных двигателей, эта схема почти полностью вышла из употребления. Тем не менее, последний такой двигатель был выпущен фирмой «Willys» в 1970-х годах.

Верхнеклапанные с приводом клапанов толкателями (тип OHV)

Двигатель с ГРМ типа OHV фирмы Chrysler.

Данная конструкция ГРМ была изобретена Дэйвидом Данбаром Бьюиком (David Dunbar Buick) в самом начале XX века. У этих двигателей клапаны расположены в головке цилиндров, а распредвал — в блоке (англоязычное обозначение — OHV,— «OverHead Valve», также встречается I-Head, или «Pushrod», то есть, «с толкателями»). Привод клапанов — штангами-толкателями через коромысла.

Плюс такой схемы — относительно простая конструкция и обеспечиваемая ей конструктивная надёжность — в частности, как правило используется простой и надёжный привод распределительного вала шестернями, что исключает саму возможность таких неисправностей, как разрыв ремня ГРМ или «перескакивание» цепи в механизме с цепным приводом.

Многие двигатели с ГРМ типа OHV ощутимо более компактны по сравнению с верхневальными, так как у них отсутствует расположенный сверху в головке блока распределительный вал, что особенно актуально для двигателей без оси коромысел, у которых коромысла опираются на шаровые пальцы; для рядных двигателей это в особенности касается габарита по высоте, а для V-образных — и высоты, и габаритной ширины.

Механизм привода клапанов в случае схемы OHV получается самым длинным по сравнению с остальными вариантами

Существенный минус ГРМ типа OHV — большая инерционность такого механизма газораспределения, что несколько ограничивает безопасные максимальные обороты коленчатого вала двигателя и, следовательно, развиваемые двигателем крутящий момент и литровую мощность (степень форсирования). Спортивные двигатели с ГРМ типа OHV, например — у машин, участвующих в гоночной серии NASCAR, могут работать и на 11 000 оборотах в минуту, но для обеспечения этого требуются специальные, достаточно дорогостоящие конструктивные и технологические решения (впрочем, это касается любых специализированных гоночных агрегатов).

Кроме того, такая схема затрудняет использование более двух клапанов на цилиндр (двигатели с таким ГРМ, имеющие 4 клапана на цилиндр, имеют большие габариты и массу, что делает их малоприменимыми в легковых автомобилях, но вполне приемлемыми для грузовиков и тяжёлой техники — примеры тому двигатели КамАЗ, ЯМЗ, ТМЗ, дизель тепловоза ЧМЭ3 и многие другие) и усложняет проектирование впускных и выпускных окон в головке цилиндров с высокоэффективной с точки зрения пропускной способности и сопротивления потоку конфигурацией.

Двигатели этой схемы, как правило, сравнительно низкооборотные и относительно тихоходные, но с гибкой моментной характеристикой. Если не используются гидравлические толкатели, такой двигатель будет одним из наиболее шумных по сравнению с остальными схемами.

В СССР первым массовым верхнеклапанным мотором стал двигатель «Волги» ГАЗ-21 (малосерийный ЗиС-101 имел такой мотор уже в 1930-х годах). Из отечественных автомобилей такой механизм газораспределения имели «Волга» (все массовые карбюраторные модели), «Москвичи» всех моделей от М—407 до М—408 включительно и все грузовики с карбюраторными двигателями конфигурации V8 (ЗиЛ, ГАЗ).

В мировой практике легкового автомобилестроения такие двигатели были широко распространены с 1930-х (в США — с 1950-х) и по 1970-е годы, а в настоящее время производятся практически только в США. Иногда такие двигатели используются и на недорогих современных европейских автомобилях из-за своей дешевизны и компактности. Например, Ford Ka первого поколения (1996—2002) использовал инжектированную версию четырёхцилиндрового двигателя Kent разработки конца пятидесятых годов с ГРМ типа OHV, имеющую весьма компактные по современным стандартам размеры, что позволило уместить двигатель в небольшом моторном отсеке Ka. В моторах грузовиков и тяжёлой техники ГРМ типа OHV всё ещё очень широко распространён.

Схема OHV популярна и на малооборотистых четырёхтактных двигателях для газонокосилок, бензиновых электростанций, мотоблоков. Современные тракторные двигатели также имеют указанную схему.

Двигатели с распредвалом в головке цилиндров

OHC

ГБЦ двигателя D15A1 автомобиля Honda Integra 1987 года с приводом клапанов коромыслами.

Двигатель с одним распределительным валом и клапанами в головке (Overhead Camshaft; так же, SOHC — Single OverHead Camshaft). В зависимости от конкретной конфигурации привода клапанов, выделяют двигатели с:

• Приводом клапанов коромыслами (Москвич-412, старые модели BMW, Honda) — клапаны расположены по бокам от распредвала (обычно, V-образно), приводятся в движение насаженными на общую ось коромыслами, одни концы которых толкаются кулачками вала, а другие приводит в движение стержни клапанов;

• Приводом клапанов рычагами (ВАЗ-2101, −07, …) — распредвал над расположенными в ряд клапанами, приводит их посредством рычагов, опирающихся на шаровую опору, толкая их кулачками примерно посередине; минус — повышенная шумность, высокие нагрузки в месте контакта кулачков вала и рычагов.

ГРМ с приводом клапанов толкателями.

• Приводом клапанов толкателями (ВАЗ-2108, многие высокооборотные двигатели) — очень простой механизм с минимальной инерцией деталей, в котором распредвал расположен прямо над клапанами, расположенными тарелками вниз, и приводит их в движение через цилиндрические толкатели; минус — меньшая эластичность характеристики двигателя, сложная регулировка клапанного зазора.

Схема OHC была наиболее распространена во вторую половину шестидесятых — восьмидесятые годы. Целый ряд двигателей такой схемы выпускается и в наше время, преимущественно для недорогих автомобилей (скажем, ряд двигателей «Renault Logan»).

Распредвалы двигателей, выполненных по схеме SOHC или DOHC, приводятся в движение зубчатым ремнем или цепью.

Привод распредвалов зубчатым ремнем является в настоящее время наиболее распространенным на легковых автомобилях. Зубчатый ремень находится вне объема, омываемого маслом, попутно ремень приводит в движение водяной насос. Преимущество привода зубчатым ремнем — дешевизна, бесшумность. Недостатки — в большинстве выпускаемых двигателей обрыв ремня вызовет удар тарелок клапанов о поршни. Во избежание этого рекомендуется строго соблюдать установленную периодичность замены зубчатого ремня. Ресурс обычно составляет от 50 до 150 тыс. км. Но необходимо помнить, что резина стареет со временем, и при малых ежегодных пробегах замена ремня может потребоваться раньше, чем это установлено производителем. Необходимо также помнить, что к обрыву ремня может привести и неисправность роликов натяжения, поэтому если двигатель «втыковой» (то есть обрыв или проскок ремня ГРМ приведет к столкновению тарелок клапанов и поршней), то следует время от времени осматривать механизм зубчатого ремня. Обрыв ремня ГРМ особенно часто происходит зимой или после длительного простоя автомобиля.

Цепной привод ГРМ является распространенным в верхнем ценовом сегменте легковых автомобилей, используется в двигателях грузовых автомобилей. Цепь обычно сдвоенная, находится в объеме двигателя, омываемого маслом. Преимущества — отсутствие опасности внезапного обрыва, изношенная цепь начинает стучать, особенно на холодном двигателе, предупреждая владельца о необходимости замены; больший ресурс — в 2-3 раза больше, чем у зубчатого ремня; долговечность. Недостатки — дороговизна, несколько большая шумность.

DOHC

Двигатель с двумя распредвалами в головке цилиндров (Double OverHead Camshaft).

При этом существуют две серьёзно различающиеся разновидности этого механизма, отличающиеся количеством клапанов.

DOHC с двумя клапанами на цилиндр. Эта схема является усложнённой разновидностью обычной OHC. В головке цилиндров расположены два распредвала, один из которых приводит впускные клапаны, второй — выпускные. Эта схема применялась в 1960-х — 1970-х годах на высокопотенциальных двигателях таких автомобилей, как «Fiat 125», «Jaguar», «Alfa Romeo», а также опытном двигателе гоночных автомобилей «Москвич-412Р», «Москвич-Г5» и в легковых автомобилях, также легких коммерческих, концерна «Ford» для Еропейского рынка, вплоть до 1994 года. В настоящее время не применяется, так что применительно к ней это название следует считать устаревшим.

Схема позволяет значительно увеличить количество оборотов коленчатого вала за счёт уменьшения его инерции, следовательно, увеличить мощность, снимаемую с двигателя. Например, мощность спортивной модификации двигателя «Москвича-412» с двумя распределительными валами объемом 1.6 литра составляла 100—130 л.с.

ГБЦ с 4 клапанами на цилиндр и ГРМ типа DOHC.

DOHC с четырьмя и более клапанами на цилиндр. Два распредвала, каждый из которых приводит свой ряд клапанов. Как правило, один распредвал толкает два впускных клапана, другой — два выпускных. Фактически, двухрядный вариант схемы OHC со вдвое большим количеством распредвалов и клапанов, однако могут осуществляться и иные схемы с общим количеством клапанов на цилиндр от 3-х до 6-и. Привод клапанов, как правило, толкателями. Схема даёт большое преимущество по мощностной отдаче. Применяется на большей части современных автомобилей, в частности, на двигателях ЗМЗ-405, ЗМЗ-406 и ЗМЗ-409, устанавливаемых на автомобили ГАЗ-3110 «Волга», ГАЗель, УАЗ.

Даже если двигатель имеет более одной головки блока цилиндров, и, следовательно, более двух распредвалов, в итоге он всё равно относится к схеме DOHC.

Десмодромная схема газораспределения

Десмодромный ГРМ.

В такой схеме газораспределения используются два распределительных вала (либо один с кулачками сложной формы). Один перемещает клапаны вниз, второй — вверх. Пружины отсутствуют.

У такого двигателя коленвал может раскручиваться до очень большого числа оборотов без вредных последствий, в то время, как обычный двигатель схемы OHC при частоте обращения коленвала порядка 9000 оборотов в минуту неминуемо выйдет из строя, так как скорости срабатывания клапанных пружин не будет хватать для того, чтобы отвести клапаны из-под удара поршня до его прихода в верхнюю мёртвую точку («зависание» клапанов).

Десмодромный механизм имеет много прецизионных деталей. Он очень трудоёмок и дорог в изготовлении. Этот механизм применялся на ряде гоночных автомобилей, например, «Mercedes-Benz W196»^[2], «O.S.C.A. Barchetta» и «Mercedes-Benz 300 SLR», а ныне — на мотоциклах «Ducati»^[3][4].

ГРМ с изменяемыми фазами газораспределения

Основная статья: Система изменения фаз газораспределения

В настоящее время существует множество различных решений, в частности, свои системы имеют Honda (VTEC), Toyota (VVT-i), Mitsubishi (MIVEC), Nissan (VVL) и др.

Прочие системы газораспределения

Гильзовая система газораспределения

Газораспределение на Bristol Perseus

Устройство ГРМ со скользящими гильзами

Впервые разработана американским инженером Чарльзом Найтом (Charles Yale Knight), часто по его фамилии называется «системой Найта», хотя Найт разработал лишь один из типов гильзового газораспределения — со скользящими гильзами.

Применялась на дорогих легковых автомобилях — в первую очередь нужно отметить целую серию моделей SS («San-Soupape», фр. «без клапанов») французской фирмы Panhard et Levassor и автомобили фирмы Avions Voisin с двигателями Найта, а также такие модели, как Willys-Knight и Mercedes-Knight. Полный список автомобилей с двигателями Найта включает такие марки и модели, как:

• Brewster;
• Columbia;
• Daimler;
• Falcon-Knight (1927—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 Pegasus, Bristol Hercules. Аналогичные конструкции широко применялись и на паровых двигателях.

Принцип действия — открытие/закрытие окон в стенках цилиндра скользящими гильзами (sleeve valves). На британских авиадвигателях применялась не система Найта, а система МакКаллума, в которой гильзы не скользили вдоль цилиндра, а вращались относительно него, что было проще в реализации. Также существовало небольшое число двигателей, имевших окна не сбоку цилиндра, а в самой головке блока, то есть более близких к традиционной системе с тарельчатыми клапанами.

Главное преимущество — полная бесшумность. Кроме того, — долговечность и улучшение наполнения цилиндров бензовоздушной смесью за счёт большого размера и меньшего сопротивления окон в гильзах по сравнению с каналами клапанов, особенно в нижнеклапанных двигателях.

Основные недостатки — сложность и высокий расход масла.

Преимущества этой системы были особенно заметны по сравнению с нижнеклапанными автомобильными двигателями первой половины XX века, после появления гидрокомпенсаторов клапанного зазора и верхне расположенных клапанов, они практически исчезли. Тем не менее, в настоящее время ряд исследователей считает, что возможен возврат к системе Найта или иному виду гильзового газораспределения в двигателях будущего.

Примечания

1. ↑ Рассматриваются только устоявшиеся и широко применявшиеся на практике схемы ГРМ с классическими тарельчатыми клапанами (poppet valves), наиболее распространённого начиная с 1910-х годов типа. Ранние типы ГРМ с иными типами клапанов (золотниковыми и так далее) не рассматриваются.
2. ↑ Авторевю № 2, 2002. История с картинками. Mercedes 300 SLR
3. ↑ Ducati. История марки
4. ↑ История клапанной системы Ducati Desmodromic / Ducati / bikepost.ru — блогосоциальный сервис для мотоциклистов

См. также

• Двигатель внутреннего сгорания
• Изменяемые фазы газораспределения
• Карбюратор

Ссылки

• Газораспределительный механизм (ГРМ)