Основные конструктивные схемы механизмов газораспределения

Четырехтактные автомобильные двигатели имеют клапанные механизмы газораспределения (ГРМ), в которых впуск горючей смеси (воздуха) и выпуск отработавших газов происходит при помощи впускных и выпускных клапанов. В зависимости от расположения клапанов различают механизмы газораспределения с нижними клапанами, расположенными в блоке цилиндров и с верхними (подвесными) клапанами, размещенными в головке блока. Наиболее простыми по конструкции являются ГРМ с нижним расположением клапанов (рис.2), привод которых при этом, содержит сравнительно небольшое количество деталей. При вращении коленчатого вала движение от него через зубчатые колеса предается на распределительный вал. Зубчатые колеса, как правило, имеют косые зубья, что необходимо для более плавного зацепления и уменьшения шума при работе. С этой же целью колесо распределительного вала чаще всего изготовляют из текстолита, что также способствует лучшей приработке передачи. Привод распределительного вала четырехтактного двигателя имеет передаточное число i = 2, что обеспечивает прохождение рабочего цикла за один оборот распределительного вала и два оборота коленчатого вала. При вращении РВ кулачок 10 набегает на толкатель 9, который, воздействуя на стержень клапана 2 поднимает его. Тарелка клапана отходит от седла 1, впускной или выпускной трубопровод при этом соединяется с цилиндром двигателя. Далее при вращении РВ кулачок выходит из под толкателя и клапан под действием пружины 4 закрывается.

Нижнеклапанные ГРМ отличаются сравнительной простотой конструкции и минимальными разрушениями деталей КШМ при обрыве стержня клапана или поломке пружины. Однако, в силу конструктивных особенностей этого типа ГРМ (клапан установлен сбоку от цилиндра), двигатель обладает низкой степенью сжатия, имеет большую площадь теплоотдачи (камеры сгорания), что в сочетании со сложной конструкцией впускного тракта (большим сопротивлением впуску свежего заряда) неблагоприятно отражается на эксплуатационных показателях двигателя. Поэтому, несмотря на то, что нижнеклапанные ГРМ в прошлом (вплоть до 70-х гг.) имели широкое распространение (двигатели автомобилей ГАЗ-51, ЗИЛ-157, ЗИЛ-164, Урал-355, ГАЗ-20, ГАЗ-69, Москвич-402 и др.) на современных двигателях ГРМ подобного типа не применяются.

Стремление улучшить мощностные и экономические показатели двигателя привело к появлению конструкций ГРМ с верхним расположением клапанов. При размещении клапанов в головке блока, камера сгорания имеет более рациональную форму и меньшую площадь поверхности теплоотдачи. Это обеспечивает высокие показатели рабочего цикла, улучшается наполнение цилиндра свежей смесью за счет меньшего сопротивления потоку газов во впускном трубопроводе, а возможность увеличения степени сжатия позволяет увеличить КПД двигателя.

Конструктивно ГРМ с верхним расположением клапанов определяет способ установки в двигателе распределительного вала (РВ). При нижнем расположении распределительного вала он установлен в блоке цилиндров (рис. 3), при верхнем – в головке блока (рис. 4,5).

Газораспределительные механизмы с нижним расположением РВ и верхним расположением клапанов (рис. 3) нашли широкое применение на современных отечественных грузовых автомобилях ГАЗ, ЗИЛ, МАЗ, КамАЗ, Урал, КрАЗ и др. Такой ГРМ применяется и в двигателях легковых автомобилей среднего класса и грузовых автомобилей малой грузоподъемности (ГАЗ-24, ГАЗ-3102, ГАЗ-31029, ГАЗ-3110, автомобили семейства “Газель” и др.) При вращении РВ кулачок 10 набегает на толкатель 9, перемещающийся вместе со штангой 17 вверх. Стальной наконечник штанги имеет сферическую поверхность, контактирующую с такой же поверхностью регулировочного винта 7, ввернутого в правое плечо коромысла 15. Коромысло поворачивается на оси 16 и бойком нажимает на стержень клапана 2. Клапан опускается, цилиндр двигателя соединяется с впускным или выпускным трубопроводом. Далее, при вращении РВ кулачок выходит из-под толкателя 9 и клапан под действием пружины 4 возвращается в первоначальное положение, а толкатель 9, перемещающийся в отверстии блока цилиндров, опускается вниз. Клапан 2 с пружиной 4 соединяется при помощи тарелки 6 (имеет внутреннюю коническую поверхность) и сухарей 5 (с наружной конической поверхностью и упорным пояском на внутренней поверхности).

Нижнее расположение РВ широко применялось и применяется в силу простоты конструкции и компактности привода. Однако привод клапанов, расположенных в головке блока цилиндров, в этом случае осуществляется через длинную кинематическую цепь, которая имеет сравнительно большую массу движущихся частей и недостаточную жесткость из-за наличия податливой штанги. Все это ограничивает применение данного типа ГРМ на быстроходных современных двигателях т.к. инерционность и податливость механизма при больших оборотах приводит к значительным нагрузкам на его детали, при этом часто не обеспечивается полное открытие клапанов, а для быстрого и надежного их закрытия требуется установка более мощных пружин, что увеличивает износ и потери на трение в ГРМ.

На современных быстроходных двигателях легковых автомобилей широкое распространение получили газораспределительные механизмы с верхним расположением распределительного вала. При верхнем расположении РВ клапаны приводятся через одноплечие (рис. 4) рычаги (двигатели автомобилей ВАЗ-2101-2107), двухплечие (рис. 5) рычаги (двигатели 412 автомобилей “Москвич”) или непосредственно от кулачка (рис. 6) через направляющий стакан (ВАЗ-2108,2109,2110,2111 и др.) Усилие от кулачка РВ к клапану в ГРМ с верхним расположением распределительного вала передается через небольшое количество деталей, поэтому такой привод обладает большой жесткостью и минимальной инерционностью, что обеспечивает четкую, надежную работу механизма при высокой частоте вращения коленчатого вала.

Верхние распределительные валы чаще всего приводятся в движение цепью (двигатели ВАЗ-2101, 2103, 2106, двигатели семейства 412 автомобилей “Москвич” и др.) или зубчатым ремнем (двигатели ВАЗ-2105, 2108 и др.). Цепной привод (рис.7) обеспечивает надежную передачу крутящего момента при больших межцентровых расстояниях коленчатого и распределительного валов, однако, основным недостатком цепного привода является вибрация цепи при резко меняющихся нагрузках, а также износ и вытяжка цепи в процессе эксплуатации. Поэтому, для цепных приводов обязательными являются натяжные устройства и успокоители колебаний цепи. Привод с зубчатым ремнем (рис. 8), не требует смазки, отличается невысокой стоимостью, низким уровнем шума, при эксплуатации ремень вытягивается в меньшей степени, чем цепь, однако, требует более частой замены.

При работе двигателя его детали подвергаются значительному нагреву и испытывают соответствующие температурные деформации. Для компенсации
теплового расширения деталей кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, а также износа деталей ГРМ в большинстве конструкций привода клапанов предусмотрен регулируемый тепловой зазор. Регулировка теплового зазора нижнеклапанного ГРМ с нижним расположением РВ осуществляется регулировочным болтом 7 ввернутым в толкатель 9 (рис. 2) после ослабления контргайки 8. В механизмах с верхним расположением клапанов регулировка производится при помощи регулировочных винтов в коромысле (рис. 3) или рычаге (рис. 5), либо вращением болта 7 опоры рычага 4 (рис. 4). В ГРМ с непосредственным приводом клапана от кулачка РВ (рис. 6) регулировка теплового зазора производится подбором толщины регулировочной шайбы 6. Величина теплового зазора для каждой модели двигателя должна находиться в заданных пределах. Отсутствие зазора в приводе клапанов приводит к неплотному его закрытию и, как следствие перегреву и обгоранию головки клапана, т. к. значительная часть подводимой к клапану теплоты отводится через зону его контакта с седлом. Увеличенный тепловой зазор означает неполное открытие клапана и повышенную шумность при работе ГРМ и возрастание динамических нагрузок на его детали. Все это приводит к смещению фаз газораспределения, ухудшению эксплуатационных характеристик двигателя, падению его мощности и крутящего момента.

Все чаще на современных двигателях применяют гидравлические толкатели в ГРМ. Гидротолкатели позволяют осуществить привод клапанов без теплового зазора, что способствует уменьшению шумности работы ГРМ, исключает необходимость его регулировки.

Следующим шагом на пути развития и совершенствования ДВС явилось создание ГРМ с тремя и более (до 6-ти) клапанами на цилиндр что при существенном усложнении конструкции дает ряд преимуществ. Все большее распространение получают конструкции ГРМ с тремя или четырьмя клапанами на цилиндр (двигатели ЗМЗ-406, ВАЗ-2112 и др.). Это позволяет увеличить площади проходных сечений клапанов при уменьшении их размеров (рис. 9). Большая площадь сечений клапанов обеспечивает лучшее наполнение цилиндра горючей смесью, увеличение удельной мощности двигателя. С уменьшением диаметра головки клапана увеличивается ее жесткость и улучшается охлаждение. Одновременно уменьшается инерционная нагрузка на детали механизма газораспределения. В таких механизмах привод клапанов осуществляется от одного или двух (рис. 10) распределительных валов. Однако ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр обладают большими механическими потерями на трение. Этот недостаток частично устраняется в ГРМ с тремя клапанами на цилиндр. В случае применения двух распределительных валов усложняется их привод. На двигателе ЗМЗ-406 привод распределительных валов цепной двухступенчатый (рис. 11) включает в себя: звездочку 1 коленчатого вала, ведомую 5 и ведущую 6 звездочки промежуточного вала, ведомые звездочки 12 и 15 распределительных валов, две цепи 4 и 10, гидронатяжители 3 и 8, башмаки 2 и 7, успокоители цепей 14, 17 и 18.

Существует ряд конструкций ГРМ, позволяющих оперативно изменять фазы газораспределения во время работы двигателя. В одном из вариантов таких схем регулируемым элементом является распределительный вал 1 (рис. 12а) вращающийся в эксцентриковых отверстиях опор 2, угловое положение которых устанавливается исполнительным устройством 3 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. В другом варианте (рис. 12б) регулирование фаз осуществляется изменением положения рычага 4 относительно кулачков распределительного вала, вращающегося в неподвижных опорах.